高強、可降解、具生物活性的可光交聯3D列印墨水

2020-10-03 小材科研

研究內容簡介

該研究提出了一種由三嵌段聚（丙交酯-丙二醇-丙交酯）二甲基丙烯酸酯（PmLnDMA）和甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）功能化羥基磷灰石納米粒子（nHAMA）構成的新型可光交聯納米複合墨水（圖1）。作者發現，通過調整PmLnDMA 與 nHAMA納米複合材料的成分比例，可控制其光交聯速率、潤溼性、降解速率及降解產物的酸鹼性；此外，該納米複合材料在光交聯過程中放熱量小（小於37℃），並且可以保持封裝在內BMP-2蛋白的活性，達到長期穩定的釋放（圖2）。該納米複合材料墨水具有優異的力學性能以及易於調節的流變性質、潤溼性、降解性和可列印性，同時具備良好的體外和體內的成骨能力，該納米複合材料墨水在3D列印骨移植物中具有廣闊的應用前景。

圖1 （A）由PmLnDMA和nHAMA組成的可光交聯納米複合材料的合成路線，以及（B）用PmLnDMA / nHAMA納米複合材料對骨支架進行3D列印的示意圖。具有反應性HEMA鏈的nHAMA可與PmLnDMA相互共價作用，並在納米複合材料內形成有機-無機共交聯網絡，以改善納米顆粒與基質的界面相容性並進一步提高機械強度。

圖2 納米複合材料性能表徵。（A，B）根據FTIR光譜計算成分不同的納米複合物的聚合度隨時間的變化。（C, D）使用紅外熱像儀監控納米複合材料的放熱溫度曲線。（F）在PBS中浸泡60天後，來自不同材料配方的BMP-2的體外累積釋放曲線。（G）具有不同濃度的nHAMA的納米複合材料的接觸角測量。（H）納米複合材料降解性能分析。（I）支架降解過程中溶液的pH值變化。

隨後作者對納米複合材料的力學性能進行分析，圖3A-B分別為不同含量的nHA或nHAMA的P7L2DMA和P17L4DMA聚合物拉伸和壓縮模量，發現通過提高nHAHA的含量可以顯著提高納米複合材料的拉伸及壓縮模量，這可能是因為nHAMA可以與PmLnDMA相互作用，形成無機-有機共交聯的納米複合物網絡，從而進一步增強了納米填料-基質的界面相容性。與單純聚合物相比，納米複合材料具有顯著改善的機械性能，壓縮模量提高了近10倍（從⁓40到 ⁓400MPa）。

圖3 純P7L2DMA和P17L4DMA聚合物及其包含nHA或nHAMA不同含量的納米複合材料的（A）拉伸和（B）壓縮性能。不同材料配方的（Ai，ii）拉伸和（Bi，ii）壓縮測試的應力-應變曲線。（Aiii）拉伸試驗中的拉伸模量和（Aiv）最大伸長率。（Biii）壓縮試驗中的壓縮模量和（Biv）每單位體積吸收的能量。7/2和17/4分別表示為P7L2DMA和P17L4DMA。30H和30 M分別表示30％nHA和30％nHAMA，50H和50 M分別表示50％nHA和50％nHAMA。

作者接下來對納米複合材料的流變性及可列印性進行了評估，圖4A,B顯示了不同材料的粘度與剪切速率關係曲線以及UV照射後的流變性能改變。圖4C,D顯示的多層支架以及不同形狀的樣品及結構顯示了該材料良好的列印性能。

圖4 納米複合材料的流變性和可列印性評估。（A）具有/不具有30或50 wt％nHAMA的P7L2DMA和P17L4DMA的粘度與剪切速率曲線。（B）曝光後不同材料配方的實時流變特性。（C）多層支架和（D）用P7L2DMA /50％nHAMA納米複合材料列印的各種3D形狀和結構的圖像。

在優化了納米複合材料的成分及表徵後，作者進行了相關生物學表徵，圖5A-E顯示了添加了50%nHAMA與nHA後可促進骨髓間充質幹細胞（MSC）良好的黏附與增殖。

圖5 不同材料組分的MSC細胞相容性。（A）在第1天，細胞在不同材料表面上的粘附。綠色螢光表示細胞骨架，藍色螢光表示細胞核。（B）在第3天的活/死染色。綠色螢光表示活細胞，紅色螢光表示死細胞。（C）在第1天對不同材料表面上的細胞面積進行定量；（D）基於活/死染色的細胞活力的定量分析。（E）使用DNA定量測定法測量的細胞增殖。

同時該材料有著良好的體內外成骨效果，圖6A, B顯示添加了50%nHAMA後的納米複合材料對MSC早期成骨標誌物鹼性磷酸酶（ALP）與後期鈣沉積均有著顯著的促進。同時相關成骨基因OCN、COL1、RUNX2、ALP也顯示了相似結果（圖6C, D）。之後進行了3D列印納米複合材料支架的體內兔股骨缺損修復研究，在此作者通過Micro-CT與組織學檢測，發現該3D列印可以對兔股骨缺損進行良好的填充支撐，並且可以觀察到良好的新生骨在支架內的生成（圖6A-E）。

圖6 兔股骨缺損模型體內骨骼再生的微CT評價和組織形態學觀察。將股骨缺損植入P7L2DMA / 50％nHA，P7L2DMA/ 50％nHAMA和P7L2DMA / 50％nHAMA / BMP-2支架，不進行支架植入的骨缺損作為空白對照。（A）不同組的3D重建微CT圖像，顯示了植入4周和8周後不同樣品對新骨形成的影響。紅色表示新的骨組織，綠色表示支架。第4周和第8周時新形成的骨骼的（B）BV / TV和（C）BMD的定量統計。BV / TV：骨骼體積/總體積；BMD：骨礦物質密度。（D）Van Gieson染色的代表性圖像顯示了支架與新骨骼的骨整合。S代表植入的支架，NB代表新的骨組織。箭頭指示的紅色區域是指骨膠原。（E）定量分析新骨缺損區域。

在本研究中，作者設計了一種新型可光交聯納米複合材料3D列印墨水，通過調整其組分可調控調節的流變性能、潤溼性、降解性和可列印性；同時該光交聯墨水在交聯過程中具產熱低的特點，可裝載各種生物活性分子。該生物墨水製備的3D列印支架具備良好的生物相容性及體內外的成骨能力，在治療大段骨缺損的臨床應用中有著良好的前景。

論文連結

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961220306244

來源：Biomaterials

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