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可低温3D打印的超高弹性生物陶瓷骨再生支架材料

来源:客户端

发布时间:2019-12-25 17:58:35

点击量:2211

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生物活性陶瓷是指能够促进骨、软骨等新组织生长的材料。除了包含生物活性材料之外。通过这类生物陶瓷材料制造骨再生组织工程支架时,要求是陶瓷材料相对坚硬,能够促进细胞粘附,并具有骨诱导性,骨传导性和/或软骨生成活性。

生物活性陶瓷材料在特定的分化培养基条件下支持成骨和软骨形成。羟基磷灰石(HAp)属于这类生物活性陶瓷,该材料有天然骨骼的矿物质成分。羟基磷灰石具有骨传导和骨诱导特性,具有在材料中以及材料周围促进新的天然骨生长的能力。

羟基磷灰石(HAp)和聚己内酯(PCL)或聚乳酸-共-乙醇酸(PLGA)的复合材料3D打印组织工程支架,能够通过热熔成形3D打印技术进行制造。然而这类复合材料组织工程支架的制造中仍存在许多问题。美国西北大学和伊利诺斯大学健康大学的Ramille N. Shah博士研究团队研发了一种可在相对低温环境下进行3D打印的生物活性陶瓷油墨,可用于制造植入体内的骨再生支架,支架具有超高弹性,材料中含有高比例的羟基磷灰石。


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超弹性生物活性陶瓷骨再生支架。来源:US20180243484


面向多种组织工程应用

研究团队指出了3D打印热熔打印技术制造骨再生支架时所存在的问题,包括:

1)热熔打印技术不支持将生物活性因子直接掺入材料中;2)材料挤出过程依赖于可熔融的热熔悬浮液,当固体羟基磷灰石颗粒的重量分数大于约0.5时,实际上是无法实现的;3)因为该材料主要是PCL,所以羟基磷灰石颗粒被封装并且没有暴露在该材料的表面上,这意味着该材料所体现出的表面性质是PCL 材料的,即光滑且不易粘附细胞; 4)为防止在制造后变形或变形,由这类复合材料制成的最终组织工程支架坚硬、易碎;5)水凝胶或细胞材料等对温度敏感的材料,不能作为该工艺的材料。

为克服这些问题,研究团队开发了一种包含生物活性颗粒的墨水制剂,还开发了通过该材料3D打印的组织工程支架和3D打印方法,以及在该组织生长支架上培养生命体组织的方法。

用于制造组织工程支架的材料,除了要求具有生物相容性之外,还要求其中的聚合物粘合剂易于加工,具有弹性和可生物降解。生物相容性聚合物粘合剂也可以是生物活性材料,合适的聚合物粘合剂材料包括生物相容的生物活性聚酯,例如聚乳酸,聚乙醇酸,聚乳酸-共-乙醇酸(PLGA)(也称为聚丙交酯-共-乙交酯(PLG)),聚己内酯(PCL)或任何组合。PCL和PLGA是合成衍生的聚酯,它们具有弹性,可降解,可用于软骨组织再生,并已显示出支持干细胞向成骨和软骨形成途径分化的能力。

弹性聚合物粘合剂(例如PCL和PLGA)的使用,可提高3D打印骨组织工程支架的坚固性。在3D打印设备挤出油墨时,弹性体粘合剂为材料提供连续性、柔性和坚固性,以及弹性。有关以上材料的骨再生能力,取决于材料的化学性质与机械性质的影响。例如,干细胞将对材料的硬度做出反应。在包含HAp和PCL的实验中,HAp诱导干细胞主要遵循成骨分化途径,而PCL诱导干细胞主要遵循成软骨分化途径。

由于这款油墨材料可以在相对较低的温度(例如,室温)下配制和3D打印,所以可以在墨水中添加生物活性因子(例如蛋白质,肽,生长因子和基因)和/或药物化合物,在此温度下制造的3D打印结构不会发生热诱导降解。低温处理的另一个优势是,可以配制具有高生物活性陶瓷含量的油墨。例如,生物活性陶瓷含量占油墨总重量的60%-90%。另外,允许与水凝胶和含有活细胞的水凝胶等对温度敏感材料一起用于3D打印。3D打印技术在骨再生组织工程支架制造领域具有优势,因为它提供了构成支架的各层的规则几何构图,支架的孔隙率、孔径和孔互连性可以被精确的控制和调整。


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图1。来源:US20180243484


研究团队基于上述油墨和3D打印方法进行了验证。在其中一个验证实例中,研究团队使用了由微米或纳米级HAp颗粒与生物相容性弹性PCL材料相结合的油墨(图1)。

在实例中使用的材料具有以下特性:由暴露的HAp颗粒主导的粗糙表面;PCL主导的宏观机械性能(弹性,大断裂伸长率);HAp颗粒主导的微观机械性能;可生物降解;骨诱导;复杂的多孔结构。

为确保HAPCL 材料以及经过打印和后处理的材料是无毒无害的,同时为了测量材料的生物相容性和骨再生潜力,研究人员对含有90wt%HAp的3D打印材料进行了体外细胞研究,并通过该材料制造了具有200μm孔隙的HAp支架。


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图10。来源:US20180243484


图10显示了hMSC在HAPCL支架上的胶原合成和沉积,如:(A)SEM;(B)组织学图像。hMSC在HAPCL中积极沉积胶原蛋白和其他细胞外基质元素。


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图11。来源:US20180243484


图11显示了在接种后28天通过hMSC的羟基磷灰石合成和沉积,如:(A)SEM;(B)沉积矿物的相应能量色散X射线光谱。hMSC在HAPCL中积极合成并沉积羟基磷灰石(钙磷比为1.69)。骨骼中发现的天然羟磷灰石为1.67,支架制造中使用的HAp为1.59。HAPCL中的细胞产生的HAp比原始支架更为自然。这些结果均表明,HAPCL材料上的干细胞是有活力的,可增殖的,活跃地产生细胞外基质并且正在经历成骨分化。

上述3D打打印生物陶瓷油墨可用于多种组织工程应用,包括半月板,软骨和软骨下骨的置换和再生(即用于骨关节炎,软骨缺损和半月板组织受损);其他软骨组织(即耳,鼻,食道,气管);韧带骨固定装置,用于改善韧带修复手术后的整合并恢复其机械功能;颅面再生植入物(例如颅骨板,鼻子、,骨);矫正外科手术治疗pallet裂托板后组织的支持和再生;拔牙后牙槽的支持和再生;脊柱融合和再生;任何长骨,髋骨或四肢骨头(即手,腕,脚踝,脚,脚趾)的再生;药物或生长因子的输送,以及可生物降解的植入物或涂层。


Review

以上研究团队已对超弹性生物活性陶瓷支架进行了动物试验。《Plastic and Reconstructive Surgery》杂志2019年五月刊刊登了该团队发表的论文,论文中报道了一种3D打印的超弹性骨合成材料,该材料有望成为一种经济有效的颅颌面修复新材料。初步研究结果显示,该材料加速了大鼠颅骨缺损的骨再生。

研究团队表示,颅颌面部重建领域对于经济有效的骨替代材料需求量大,超弹性骨有很大的潜力可以应用在这一领域。在动物实验中,研究人员除了使用3D打印超弹性骨进行颅骨缺损修复之外,还分别使用了动物自体,以及不包含骨矿物质材料的修复支架修复其他颅骨缺损部位。自体骨是重建骨缺损的首选材料,但这种天然材料难以获得,需要从从身体其他部位采取骨骼,有的时候根本无法获得适合的自体骨。

实验结果表明,3D打印的超弹性骨提供了良好的骨再生。在随访CT扫描中,与自体骨相比,超弹性骨在8周后有效率约为74%,12周时有效率为65%。而仅包含聚乙醇酸材料不包含骨矿物质材料的支架所修复的缺损处,仅显示出很少的新骨形成。显微镜检查显示,超弹性骨支架首先被纤维组织逐渐包围,然后被新骨细胞包围。随着时间的推移,支架将逐渐被新骨完全替换,并结合植入的骨矿物质。

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