视频 l 美国西北大学研发出高韧性和促进骨骼再生的3D打印陶瓷油墨

3D科学谷2021-09-10 08:39:54

人体骨骼如果因外伤、疾病等原因而出现缺损或病变,常见的治疗方式是通过手术将植入物植入到人体。从制造植入物的材料角度,骨科植入物主要分为金属植入物、高分子材料植入物以及陶瓷植入物。陶瓷植入物又包括了氮化硅、氧化铝、羟基磷灰石等种类,其中羟基磷灰石等陶瓷材料具有良好的生物相容性,在植入到体内之后将逐渐被人体降解吸收,生物工程和再生医学领域的科学家们利用此类陶瓷材料的特点研发出用于修复骨骼缺损的陶瓷生物支架。


若要顺利完成骨骼修复的任务,支架材料除了应具有良好的生物相容性之外,还需要具有促进骨骼再生的能力,近日美国西北大学的材料科学家在这个领域取得了进展,他们研发出一种适合3D打印的羟基磷灰石材料,该材料被加入了一定比例的乳酸-羟基乙酸,这让3D打印的支架在无需添加生长因子的情况下也具有良好的骨骼再生促进能力,并且拥有更高的韧性。




促进骨骼再生

有望解决儿童骨骼修复难题

来自美国西北大学材料科学系的研发团队在3D打印领域颇具经验,研究团队的负责人Ramille Shah 教授在2015年曾带领团队参与了3D打印石墨烯材料在电子和生物医学领域的应用研究,Shah 教授还参与了3D打印清洁燃料电池的研究项目。


研究团队表示尽管促进再生的生物材料已得到了大量关注和发展,但目前的材料在迅速促进骨骼再生的能力和生产能力方面仍有不足之处,他们的目标是在这方面有所突破,并使材料适合3D打印,未来可以让医生在医院的实验室中通过3D打印机快速制造出所需的骨骼支架。




为了解决这些问题,研究团队将10%的聚己内酯和聚(乳酸-羟基乙酸)材料与90%的羟基磷灰石进行混合,产生了一种新的3D打印液体油墨材料,在室温下通过该材料每小时可以3D打印出275立方厘米的骨骼修复支架。通过这种材料3D打印的骨骼修复支架表现出良好的韧性和吸附能力。与普通羟基磷灰石材料支架的不同之处,这种油墨打印的支架在受到挤压时可以迅速恢复到原来的形状。支架的孔隙率为50%,支持人体细胞生长和增殖。




究竟这个3D打印支架的骨骼修复能力如何?我们从研究团队进行的体外实验和动物实验中将有所体会。研究团队在4周的体外实验中发现,在不添加生长因子的情况下该3D打印支架能够诱导人体干细胞进行分化。研究团队还通过对小鼠和猴子的支架植入物实验,评估了这款3D打印支架的骨骼修复能力。以与人类更为接近的猴子实验为例,研究人员通过植入3D打印支架,为猴子进行了颅骨修复,植入4周之后没有出现排异反应,支架周围组织已与支架进行了结合。




研究团队表示这款高弹性的支架3D打印油墨将给医生带来非常大的灵活性,医生可以根据需要将抗生素添加到支架中,从而降低支架植入体内后发生感染的概率,还可以根据需要添加生长因子,使得支架具有更强的骨骼再生促进能力。更有意义的是,这种支架,有望应用于未成年人的骨骼修复,因为处于成长发育期的未成年人,如果接受永久性的植入物移植手术,就需要多次通过手术更换植入物,而可降解的骨骼修复支架则是通过促进人体自身骨骼再生来进行骨骼修复的,这种治疗方式将避免让未成年人多次接受植入手术。


美国西北大学的研究成果发表在 Science Translational Medicine期刊中文章题目为 Hyperelastic "bone": A highly versatile, growth factor-free, osteoregenerative, scalable, and surgically friendly biomaterial。


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