Biomaterials|“全能”的3D打印骨修复材料被成功开发

3D打印快讯
2020
09/17
10:16
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来源:上普生物

导读:目前已经有很多研究者利用生物3D打印技术进行骨组织修复,高分子聚合物材料、水凝胶类材料在骨修复应用各有利弊,单一材料往往无法平衡机械强度、可打印性、生物相容性/生物活性以及骨传导性。近日,香港理工大学的赵昕教授、新加坡国立大学的Jerry Fuh教授和南京医科大学附属苏州医院郝跃峰副院长最近在生物材料顶刊Biomaterials上发表了题为Photocrosslinkable nanocomposite ink for printing strong, biodegradable and bioactive bone graft文章(论文第一作者为杨雨禾博士),创新性地开发出了一款光敏纳米复合生物墨水,兼具机械强度、生物相容性与生物活性,可用于3D打印骨组织修复。

骨修复应用生物墨水
受伤、疾病或外伤引起的大规模骨损伤往往缺乏自我修复能力,尽管自体移植和同种异体移植已在临床上得到批准并显示令人满意的治疗效果,但在临床上也往往会出现供体部位的发病、免疫以及炎症反应。3D打印组织工程骨支架具有高保真度、复杂多孔结构、优秀的生物相容性,可以快速精准的满足患者需求,越来越多的研究者开始使用3D打印技术进行骨组织修复。

微挤出式生物3D打印操作简单、高效、成本相对低,是3D打印骨修复支架的可靠工艺技术。常用的材料包括PCL、PLGA,具有很好的机械强度和可打印性,但由于打印过程中往往涉及有机溶剂或高温,所以会丧失支架的生物活性;可光交联的水凝胶类生物墨水例如GelMA、HAMA等机械性能太低,无法为骨再生提供支撑,且在光交联过程中,会受到较高的温度,使得生长因子、DNA等具有生物活性的分子失去活性;无机材料例如羟基磷灰石或磷酸三钙可以改善成骨活性和机械强度,但是其在支架内部往往分布不均匀甚至堵塞打印喷头。综上所述,用于骨修复应用的生物墨水应该具有优秀的可打印性、机械强度以及良好的生物活性。


新型光敏纳米复合生物墨水
研究者开发出一种新型光敏纳米复合生物墨水,此种墨水三嵌段聚(丙交酯-丙二醇-丙交酯)二甲基丙烯酸酯(PmLnDMA)以及甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)官能化的纳米羟基磷灰石(nHAMA)组成。其中,丙二醇提供可打印性,丙交酯具有降解性,甲基丙烯酸酯具有光交联性,反应性HEMA共轭nHAMA的设计可以提供以下功能:
1)提高无机纳米材料的稳定性和均匀分散,防止沉淀
2)与PmLnDMA共价交联聚合物基体形成无机-有机共交联的纳米复合材料网络,进一步提成机械强度
3)中和聚合物的酸性降解产物
4)使得复合材料具有骨传导性和骨诱导性

研究发现PmLnDMA与nHAMA可以在140秒内实现光交联,形成无机-有机共交联的纳米复合材料网络。通过简单地更改PmLnDMA中PPG和LA的链长(即m和n)和nHAMA的含量,研究者可以稳健地调整材料的流变性,润湿性,降解性和可打印性,且光交联过程中产生的热量较低(<37℃),此材料也更适合例如骨形态发生蛋白2(BMP-2)这类不耐热生物活性分子的释放。是一款非常理想的骨修复应用的生物墨水。

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新型生物墨水性能PmLnDMA和nHAMA的表征
研究者通过NMR光谱,发现了PmLn的甲基丙烯酸酯化,并证实了PmLnDMA的成功合成,FTIR光谱进一步揭示了PnLnDMA的合成过程。同样,通过FTIR光谱,研究者证实了nHAMA的成功合成。之后研究者通过一系列实验,证明接枝反应后,羟基磷灰石的晶体特性得以维持,且nHAMA具有出色的稳定性和分散性。

3D打印PmLnDMA/nHAMA复合材料
研究者通过上普微挤出式生物3D打印机ALPHA-CPD1进行PmLnDMA/nHAMA复合材料3D打印,并发现此种复合材料具有良好的快速光固化特性,其结构完整性和分辨率很高。特别的是,此种材料在光交联后收缩率较小,这种较小的收缩对于打印精度以及保真度具有积极作用。

通过实验,研究者发现此复合材料在光固化过程中峰值温度整体低于正常人体体温(37℃),对于生长因子的生物活性和长期释放的稳定性十分友好。更进一步,研究者将BMP-2与复合材料混合,并进行缓释试验,发现BMP-2在60天后无突释现象,并且可以通过改变nHAMA含量调整缓释速率,这证明此种复合材料可以轻松封装生物因子,保持生物活性并实现稳定缓释,是极好的药物载体。

通过支架降解实验,研究者发现nHAMA含量越高,降解速度越快,并且在降解后,nHA可以有效中和PmLnDMA的酸性降解产物,从而保持细胞微环境的pH稳定性。

通过机械强度测试,研究者发现复合材料的压缩模量与强度与天然松质骨的压缩模量相当,并且具有相当出色的韧性。
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此复合材料具有一定的剪切变稀特性,可打印性较好,且打印的精度较高。研究者还进一步证实,此种材料还可以顺利打印复杂3D结构,说明此复合材料可打印性极佳。

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生物学评估
通过细胞培养,在支架上的细胞面积明显增大,3天后细胞存活率高达90%,说明复合材料支架具有良好的细胞相容性并为细胞提供粘附和生长。

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通过对复合材料成骨能力实验,研究者发现P7L2DMA / 50%nHAMA纳米复合材料可以促进骨诱导钙离子释放增加,促进了运动和骨传导过程以及更高的表面模量,说明其具有良好的成骨能力。

与坚固的椎间盘/栓塞材料或可注射的原位固化材料相比,3D打印的支架由于其良好的几何形状和多孔结构可匹配各个骨缺损形状并允许新的组织浸润而显示出更好的骨修复功效。通过将3D打印支架植入白兔股骨中,研究者发现术后8周后骨缺损部位开始形成新骨,且支架依然保留。

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结论
本研究成功开发了一种新型PmLnDMA/nHAMA光敏纳米复合生物墨水,应用于骨组织修复,其具有良好的可打印性和机械性能,对于生物活性因子十分友好,并具有优秀的生物相容性与成骨性能,是3D打印骨修复组织工程支架的新型理想材料。

参考文献

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.

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