全能的3D列印骨修復材料被成功開發

2020-09-17 上普生物

目前已經有很多研究者利用生物3D列印技術進行骨組織修復，高分子聚合物材料、水凝膠類材料在骨修復應用各有利弊，單一材料往往無法平衡機械強度、可列印性、生物相容性/生物活性以及骨傳導性。近日，香港理工大學的趙昕教授、新加坡國立大學的Jerry Fuh教授和南京醫科大學附屬蘇州醫院郝躍峰副院長最近在生物材料頂刊Biomaterials上發表了題為Photocrosslinkable nanocomposite ink for printing strong, biodegradable and bioactive bone graft文章（論文第一作者為楊雨禾博士），創新性地開發出了一款光敏納米複合生物墨水，兼具機械強度、生物相容性與生物活性，可用於3D列印骨組織修復。

骨修復應用生物墨水

受傷、疾病或外傷引起的大規模骨損傷往往缺乏自我修復能力，儘管自體移植和同種異體移植已在臨床上得到批准並顯示令人滿意的治療效果，但在臨床上也往往會出現供體部位的發病、免疫以及炎症反應。3D列印組織工程骨支架具有高保真度、複雜多孔結構、優秀的生物相容性，可以快速精準的滿足患者需求，越來越多的研究者開始使用3D列印技術進行骨組織修復。

微擠出式生物3D列印

操作簡單、高效、成本相對低，是3D列印骨修復支架的可靠工藝技術。常用的材料包括PCL、PLGA，具有很好的機械強度和可列印性，但由於列印過程中往往涉及有機溶劑或高溫，所以會喪失支架的生物活性；可光交聯的水凝膠類生物墨水例如GelMA、HAMA等機械性能太低，無法為骨再生提供支撐，且在光交聯過程中，會受到較高的溫度，使得生長因子、DNA等具有生物活性的分子失去活性；無機材料例如羥基磷灰石或磷酸三鈣可以改善成骨活性和機械強度，但是其在支架內部往往分布不均勻甚至堵塞列印噴頭。綜上所述，用於骨修復應用的生物墨水應該具有優秀的可列印性、機械強度以及良好的生物活性。

新型光敏納米複合生物墨水

研究者開發出一種新型光敏納米複合生物墨水，此種墨水三嵌段聚（丙交酯-丙二醇-丙交酯）二甲基丙烯酸酯（PmLnDMA）以及甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）官能化的納米羥基磷灰石（nHAMA）組成。其中，丙二醇提供可列印性，丙交酯具有降解性，甲基丙烯酸酯具有光交聯性，反應性HEMA共軛nHAMA的設計可以提供以下功能：

1）提高無機納米材料的穩定性和均勻分散，防止沉澱

2）與PmLnDMA共價交聯聚合物基體形成無機-有機共交聯的納米複合材料網絡，進一步提成機械強度

3）中和聚合物的酸性降解產物

4）使得複合材料具有骨傳導性和骨誘導性

研究發現PmLnDMA與nHAMA可以在140秒內實現光交聯，形成無機-有機共交聯的納米複合材料網絡。通過簡單地更改PmLnDMA中PPG和LA的鏈長（即m和n）和nHAMA的含量，研究者可以穩健地調整材料的流變性，潤溼性，降解性和可列印性，且光交聯過程中產生的熱量較低（<37℃），此材料也更適合例如骨形態發生蛋白2（BMP-2）這類不耐熱生物活性分子的釋放。是一款非常理想的骨修復應用的生物墨水。

新型生物墨水性能

PmLnDMA和nHAMA的表徵

研究者通過NMR光譜，發現了PmLn的甲基丙烯酸酯化，並證實了PmLnDMA的成功合成，FTIR光譜進一步揭示了PnLnDMA的合成過程。同樣，通過FTIR光譜，研究者證實了nHAMA的成功合成。之後研究者通過一系列實驗，證明接枝反應後，羥基磷灰石的晶體特性得以維持，且nHAMA具有出色的穩定性和分散性。

3D列印PmLnDMA/nHAMA複合材料

研究者通過上普微擠出式生物3D印表機ALPHA-CPD1進行PmLnDMA/nHAMA複合材料3D列印，並發現此種複合材料具有良好的快速光固化特性，其結構完整性和解析度很高。特別的是，此種材料在光交聯後收縮率較小，這種較小的收縮對於列印精度以及保真度具有積極作用。

通過實驗，研究者發現此複合材料在光固化過程中峰值溫度整體低於正常人體體溫（37℃），對於生長因子的生物活性和長期釋放的穩定性十分友好。更進一步，研究者將BMP-2與複合材料混合，並進行緩釋試驗，發現BMP-2在60天後無突釋現象，並且可以通過改變nHAMA含量調整緩釋速率，這證明此種複合材料可以輕鬆封裝生物因子，保持生物活性並實現穩定緩釋，是極好的藥物載體。

通過支架降解實驗，研究者發現nHAMA含量越高，降解速度越快，並且在降解後，nHA可以有效中和PmLnDMA的酸性降解產物，從而保持細胞微環境的pH穩定性。

通過機械強度測試，研究者發現複合材料的壓縮模量與強度與天然松質骨的壓縮模量相當，並且具有相當出色的韌性。

此複合材料具有一定的剪切變稀特性，可列印性較好，且列印的精度較高。研究者還進一步證實，此種材料還可以順利列印複雜3D結構，說明此複合材料可列印性極佳。

生物學評估

通過細胞培養，在支架上的細胞面積明顯增大，3天後細胞存活率高達90%，說明複合材料支架具有良好的細胞相容性並為細胞提供粘附和生長。

通過對複合材料成骨能力實驗，研究者發現P7L2DMA / 50％nHAMA納米複合材料可以促進骨誘導鈣離子釋放增加，促進了運動和骨傳導過程以及更高的表面模量，說明其具有良好的成骨能力。

與堅固的椎間盤/栓塞材料或可注射的原位固化材料相比，3D列印的支架由於其良好的幾何形狀和多孔結構可匹配各個骨缺損形狀並允許新的組織浸潤而顯示出更好的骨修復功效。通過將3D列印支架植入白兔股骨中，研究者發現術後8周後骨缺損部位開始形成新骨，且支架依然保留。

結論

本研究成功開發了一種新型PmLnDMA/nHAMA光敏納米複合生物墨水，應用於骨組織修復，其具有良好的可列印性和機械性能，對於生物活性因子十分友好，並具有優秀的生物相容性與成骨性能，是3D列印骨修復組織工程支架的新型理想材料。

參考文獻

Yang, Yuhe, Qiang Zhang, Tianpeng Xu, Hongyu Zhang, Ming Zhang, Li Lu, Yuefeng Hao, JerryY H. Fuh, and Xin Zhao. "Photocrosslinkable nanocomposite ink for printing strong, biodegradable and bioactive bone graft." Biomaterials (2020): 120378.

相關焦點

  • 美國實驗室開發自修復3D列印材料
    近年來，彈性體3D列印材料提供的柔韌性和強度，推動了其在消費產品領域中的應用。許多研究人員開發了增強的彈性體基述職，以試圖擴大其在不同行業中的應用。美國陸軍實研究實驗室與德克薩斯AM大學聯合，開發具有自愈功能的3D聚合物材料，該技術將會應用於從人造肢體到柔性航空部件等多個領域。
  • 美國實驗室開發自修復3D列印材料
    近年來，彈性體3D列印材料提供的柔韌性和強度，推動了其在消費產品領域中的應用。許多研究人員開發了增強的彈性體基述職，以試圖擴大其在不同行業中的應用。美國陸軍實研究實驗室與德克薩斯AM大學聯合，開發具有自愈功能的3D聚合物材料，該技術將會應用於從人造肢體到柔性航空部件等多個領域。
  • 研究人員利用3D列印製造微型樂高式「骨磚」
    2020年7月27日，白令三維從外國媒體獲悉，受這種樂高玩具的啟發，科學家開發了一種類似樂高木製玩具的生物支持，能夠更好地修復骨折和修復受損的器官組織。俄勒岡健康與科學大學（ohsu）的研究人員擁有3d的微型樂高式「骨磚」，可以治癒骨折。 研究人員的微型空心磚只有跳蚤的大小，可以用作支架，硬和軟組織都可以再次生長。
  • Anisoprint近期發布了兩款由Polymaker開發出的3D列印材料
    打開APP Anisoprint近期發布了兩款由Polymaker開發出的3D列印材料 南極熊3d列印 發表於 2020-12-01 11:41:06
  • 科學家開發出與人骨成分相似的可3D列印材料
    一度，塑料、金屬和陶瓷都曾經被認為是可用於關節置換的最新和最好的材料，但是它們對患者的疼痛緩解和活動能力的恢復是有前提的，那就是這些材料不能持久。Pilliar被稱為加拿大的陶瓷材料之父。如今，通過與另外兩位研究者攜手，已經成為多倫多大學牙醫學院、生物材料與生物醫學工程學院名譽教授的Pilliar找到了可以用來製造未來植入物的天然成分。
  • 10種最具潛力的3D列印的材料
    2．生物墨水這種「生物墨水」由細胞和幹細胞組成，這些細胞會被逐層列印最終形成組織。通過這種技術成功製造的人體器官包括膀胱、血管、腎臟等。3．骨材料華盛頓州立大學之前3D列印出類似骨質的材料，這種材料由磷酸鈣、矽、鋅構成。
  • 中科院科學家3D列印生物陶瓷支架:可用於骨腫瘤治療
    圖1. 3D列印純生物陶瓷支架（左）與生物活性陶瓷/氧化石墨烯複合支架（右）。在體外骨腫瘤細胞殺傷率達到90%（見圖2）。在小鼠體內植入該功能化的支架並進行光照後，有效地抑制了裸鼠皮下腫瘤生長，而對照組腫瘤體積隨天數持續增大(見圖3)。
  • 3D列印材料新突破：乳膠3D列印
    近日，據白令三維了解，來自高分子創新研究所、科學院和工程學院的維吉尼亞理工學院跨學科團隊共同提出了一種新的乳膠3D列印方法，並獲得了國家科學基金會獎。維吉尼亞理工大學也與米其林北美合作開展這個項目。 化學教授兼首席研究員蒂莫西龍（timothylong）表示：我的想法是，只有與自己截然不同的人合作，才能實現這些創新。
  • 上海交大範先群教授課題組合作開發蛋殼來源的新型仿生骨修復材料
    上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院眼科範先群教授課題組與泉州師範學院楊大鵬教授課題組合作，開發一種蛋殼來源的新型骨修復納米材料，該材料具有環保、仿生、骨誘導的特性，為骨組織工程支架材料的開發提供思路。基於此，範先群教授帶領的眼眶骨修復研究團隊和楊大鵬教授帶領的納米材料研發團隊提出蛋殼顆粒或可作為一種生物填料，將其改性後摻入羧甲基殼聚糖（carboxymethyl chitosan, CMC）交聯製備仿生型的骨修復材料。
  • 【材料】Nature:來自未來的科技——超高解析度3D列印技術
    ，出現在20世紀90年代中期，其原理是通過軟體與數控系統將專用的金屬材料或者非金屬材料逐層堆積，從而製造出實體物品的製造技術。1986年，美國科學家Charles Hull開發了人類歷史上第一臺商業3D立體印表機。經過幾十年的發展，3D列印技術在逐步發展，其應用範圍也在迅速擴大，包括文物修復，運動鞋部件、牙科陶瓷、貴重飾品和航空航天部件的大規模生產，以及微流體、醫療設備和人工器官的製造等等，但這一技術目前仍然有諸多缺陷，例如非列印區域也會呈現固體，列印速度慢、解析度普遍較低。
  • 行業|需要骨修復的患者越來越多,人工骨會是他們的救星嗎?
    例如骨組織壞死、骨關節創傷等，此時外科醫生會進行骨組織修復，而使用的修復材料通常有三類：自體骨、金屬假體、人工骨。其中，自體骨滿足骨傳導、骨誘導性，且無免疫排斥反應，但是會因為取骨造成二次創傷，導致感染風險以及系列併發症；金屬假體存在鬆動、斷裂等問題。因此，人工骨替代材料移植、修復骨缺損成為醫學研究的重點[1]。
  • 3D列印藝術:這5種3D列印方式推動藝術創意的新方向
    感覺3D列印技術就是為創造新事物而生的，為設計和製造過程帶來了新的方式。因此，我們看到藝術家開始注意並利用該技術的獨特品質來創作3D列印藝術。通過逐層製作授予的設計自由度和3D可列印材料的多功能性為各類藝術家開闢了新的前沿。經濟實惠的3D列印技術有助於在雕塑，時尚，裝置藝術等領域的設計和規模創新，以及跨學科的合作。
  • 3d列印材料大全,看看你知道幾個
    在3d列印領域，3d列印材料一直扮演著重要的角色。因此，3d列印材料是3d列印技術發展的重要物質基礎。在某種程度上，材料的發展決定了3d列印能否得到更廣泛的應用。目前，3D列印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠材料、金屬材料、陶瓷材料等。另外，彩色石膏材料、人工骨粉、細胞生物材料、砂糖等食品也用於3D列印領域。
  • PLA材料3D列印自行車架獲Eurobike金獎
    【中關村在線辦公列印頻道原創】近日，來自義大利帕多瓦的Eurocompositi設計工作室開發出一款讓人驚豔的PLA材質3D列印山地車車架Aenimal Bhulk，並由此獲得了2015 Eurobike產品設計金獎(Eurobike Gold)。
  • 新型生物玻璃材料 可3D列印且能自我修復
    生物玻璃是一種神奇的人工材料，具有良好的韌性、生物兼容性和生物降解性，能與天然生物組織形成鍵合作用，所以能起到修復甚至替代天然組織
  • 微型3D列印結構助修復骨骼與軟組織
    )積木的1.5毫米3D列印中空立方塊，可作為促進受損骨骼與軟組織再生的鷹架，修復效果比現有技術好，未來希望用於製作器官移植物。整形外科醫師在修復複雜的骨折時，通常會植入金屬釘或金屬板以穩定骨頭，再嵌入具生物兼容性、內含有助癒合的藥粉或敷料的鷹架材料。OHSU新鷹架系統的獨特優勢在於能精準部署於最靠近受損骨骼與軟組織的位置，且可填充含有各種有助於促進再生的生長因子凝膠，就近發揮最佳修復效果。
  • 3D列印技術實現脫胎換「骨」
    廣東醫科大學崔燎教授團隊和香港中文大學李剛教授團隊聯合研究發現了一種低溫3D列印技術，可以列印出適合患者的骨組織和關節材料，將特製的複合物作為支架材料，並在裡面放置天然藥物，實現藥物緩釋作用，研究顯示可以促進植入部位的新骨形成，具有促進骨融合的作用。
  • 巧婦不再難為無米之炊 3D列印材料大觀(全文)_3D印表機_辦公列印3D...
    這裡簡要介紹當前3D列印材料的發展現狀以及存在的問題。    由於3D列印製造技術完全改變了傳統製造工業的方式和原理，是對傳統製造模式的一種顛覆，因此，3D列印材料成為限制3D列印發展的主要瓶頸，同時也是3D列印突破創新的關鍵點和難點所在，只有進行更多新材料的開發才能拓展3D列印技術的應用領域。
  • 上海矽酸鹽所在3D列印生物醫用材料研究中取得系列進展
    3D列印生物陶瓷/石墨烯複合支架在近紅外光誘導的光熱效應有效地殺死腫瘤細胞該研究通過3D列印技術製備出生物陶瓷與氧化石墨烯複合支架(見圖1)，在超低功率近紅外光下可使支架溫度迅速升高，且其光熱性能可控。在體外骨腫瘤細胞殺傷率達到90%（見圖2）。在小鼠體內植入該功能化的支架並進行光照後，有效地抑制了裸鼠皮下腫瘤生長，而對照組腫瘤體積隨天數持續增大(見圖3)。
  • 4WEB醫學的3D列印脊椎側桁架系統獲得FDA市場準入許可
    來源：3dprintingindustry桁架的力學之道位於德克薩斯的醫療植入物公司4WEB 醫學一直在開發3D列印植入物。4WEB的幾何結構類似於橋梁，摩天大樓和飛機的機翼的桁架設計，提供了強有力的力學支撐，植入體的支撐角保證修正的完整性，此外，結構力學和桁架體系的表面拓撲結構可以促進骨結合併加速癒合。4WEB專有的桁架植入技術利用了結構力學的基本工程原理解決了像側切口手術後植入物沉陷這樣的重要臨床問題。獲得FDA的準入許可，意味著輕量級，生物相容性的植入體真正意義上被臨床接受。