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3D打印材料

“全能型”的三维打印骨修复原材料被取得成功开发设计


发布日期:2020-12-05 来源: 凌云3D


现阶段早已有很多研究者运用生物三维打印技术性开展成骨细胞修复,高分子材料高聚物原材料、凝胶剂类原材料在骨修复运用各有利弊,单一材料通常没法均衡冲击韧性、可打印性、生物相溶性/生物活性及其骨传导性耳聋。

前不久,香港理工大学的赵昕专家教授、新加坡国立大学的Jerry Fuh专家教授和南京医科大附设苏州医院郝跃峰副院长近期在生物原材料顶刊Biomaterials上发布了名为Photocrosslinkable nanocomposite ink for printing strong, biodegradable and bioactive bone graft文章内容(毕业论文第一作者为杨雨禾博士),创新能力地开发设计出了一款感光纳米技术复合型生物黑墨水,兼顾冲击韧性、生物相溶性与生物活性,可用以三维打印成骨细胞修复。

骨修复运用生物黑墨水

负伤、病症或创伤造成的规模性骨损害通常欠缺自身修复工作能力,虽然自体移植和相同自体移殖已在临床医学上获得准许并显示信息比较满意的治疗效果,但在临床医学上也通常会出現肾源位置的病发、免疫系统及其炎症介质。三维打印组织工程骨支撑架具备高高保真、繁杂多孔材料、出色的生物相溶性,能够迅速精确的考虑病人要求,愈来愈多的研究者刚开始应用三维打印技术性开展成骨细胞修复。

微挤压式生物三维打印实际操作简易、高效率、成本费相对性低,是三维打印骨修复支撑架的靠谱生产工艺。常见的原材料包含PCL、PLGA,具备非常好的冲击韧性和可打印性,但因为打印全过程中通常涉及到溶剂或高溫,因此 会缺失支撑架的生物活性;可光交联的凝胶剂类生物黑墨水比如GelMA、H三维打印A等物理性能太低,没法为骨再造出示支撑点,且在光交联全过程中,会遭受较高的溫度,促使细胞生长因子、DNA等具备生物活性的分子结构丧失特异性;无机材料比如羟基磷灰石或磷酸三钙能够改进成骨特异性和冲击韧性,可是其在支撑架內部通常遍布不匀称乃至阻塞打印喷嘴。总的来说,用以骨修复运用的生物黑墨水应当具备出色的可打印性、冲击韧性及其优良的生物活性。

新式感光纳米技术复合型生物黑墨水

研究者开发设计出一种新式感光纳米技术复合型生物黑墨水,此类黑墨水三嵌段聚(丙交酯-丙二醇-丙交酯)二甲基丙烯酸酯(PmLnDMA)及其甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)官能化的纳米技术羟基磷灰石(nH三维打印A)构成。在其中,丙二醇出示可打印性,丙交酯具备溶解性,甲基丙烯酸酯具备光交联性,反映性HEMA共轭点nH三维打印A的设计方案能够出示下列作用:

1)提升 无机物纳米复合材料的可靠性和匀称分散化,避免 沉定

2)与PmLnDMA共价化学交联高聚物基材产生无机物-有机化学共化学交联的纳米技术复合材料互联网,进一步抽成冲击韧性

3)中合高聚物的酸碱性溶解物质

4)促使复合材料具备骨传导性耳聋和骨不可逆性

研究发现PmLnDMA与nH三维打印A能够在140秒内完成光交联,产生无机物-有机化学共化学交联的纳米技术复合材料互联网。根据简易地变更PmLnDMA中PPG和LA的链长(即m和n)和nH三维打印A的成分,研究者能够稳进地调节原材料的触变性,润滑性,溶解性和可打印性,且光交联全过程中造成的发热量较低(<37℃),此原材料也更合适比如骨形状产生蛋白质2(BMP-2)这种不耐高温生物活性分子结构的释放出来。是一款十分理想化的骨修复运用的生物黑墨水。

新式生物黑墨水特性PmLnDMA和nH三维打印A的定性分析

研究者根据NMR光谱仪,发觉了PmLn的甲基丙烯酸酯化,并确认了PmLnDMA的取得成功生成,FTIR光谱仪进一步表明了PnLnDMA的生成全过程。一样,根据FTIR光谱仪,研究者确认了nH三维打印A的取得成功生成。以后研究者根据一系列试验,证实热聚合反映后,羟基磷灰石的结晶特点得到保持,且nH三维打印A具备优异的可靠性和分散性。

三维打印PmLnDMA/nH三维打印A复合材料

研究者根据上普微挤压式生物三维打印机ALPHA-CPD1开展PmLnDMA/nH三维打印A复合材料三维打印,并发觉此类复合材料具备优良的迅速光固化机特点,其构造一致性和屏幕分辨率很高。尤其的是,此类原材料在光交联后缩水率较小,这类较小的收拢针对打印精密度及其高保真具备积极主动功效。

根据试验,研究者发觉此复合材料在光固化机全过程中最高值溫度总体明显低于正常人体体温(37℃),针对细胞生长因子的生物活性和长期性释放出来的可靠性十分友善。更进一步,研究者将BMP-2与复合材料混和,并开展缓凝实验,发觉BMP-2在六十天后无突释状况,而且能够根据更改nH三维打印A成分调节缓凝速度,这证实此类复合材料能够轻轻松松封裝生物因素,维持生物活性并完成平稳缓凝,是很好的药品媒介。

根据支撑架溶解试验,研究者发觉nH三维打印A成分越高,溶解速率越快,而且在溶解后,nHA能够合理中合PmLnDMA的酸碱性溶解物质,进而维持体细胞微自然环境的pH可靠性。

根据冲击韧性检测,研究者发觉复合材料的压缩模量与抗压强度与纯天然松质骨的压缩模量非常,而且具备非常优异的延展性。

此复合材料具备一定的裁切变浓特点,可打印性不错,且打印的精密度较高。研究者还进一步确认,此类原材料还能够成功打印繁杂三维构造,表明此复合材料可打印性极好。

生物学评定

根据细胞培养基,在支撑架上的体细胞总面积显著扩大,三天后体细胞成活率达到90%,表明复合材料支撑架具备优良的体细胞相溶性并为体细胞出示黏附和生长发育。

根据对复合材料成骨工作能力试验,研究者发觉P7L2DMA / 50%nH三维打印A纳米技术复合材料能够推动骨诱发钠离子释放出来提升,推动了健身运动和骨传导全过程及其高些的表层应变速率,表明其具备优良的成骨工作能力。

与牢固的腰椎间盘/堵塞原材料或可注入的原点干固原材料对比,三维打印的支撑架因为其优良的几何图形样子和多孔材料可搭配每个骨破损样子并容许新的机构侵润而显示信息出更强的骨修复作用。根据将三维打印支撑架嵌入白兔股骨头中,研究者发觉手术后8星期过后骨破损位置刚开始产生新骨,且支撑架仍然保存。

结果

本科学研究取得成功开发设计了一种新式PmLnDMA/nH三维打印A感光纳米技术复合型生物黑墨水,运用于成骨细胞修复,其具备优良的可打印性和物理性能,针对生物活性因素十分友善,并具备出色的生物相溶性与成骨特性,是三维打印骨修复组织工程支撑架的新式理想化原材料。


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