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3D打印质料市场研究——可低温3D打印的超高弹性生物陶瓷骨再生支架质料

宣布时间：

2023-01-11 12:41

　　生物活性陶瓷是指能够增进骨、软骨等新组织生长的质料。除了包括生物活性质料之外。通过这类生物陶瓷质料制造骨再生组织工程支架时，要求是陶瓷质料相对坚硬，能够增进细胞粘附，并具有骨诱导性，骨传导性和/或软骨生成活性。
　　生物活性陶瓷质料在特定的剖析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，该质料有天然骨骼的矿物质身分。羟基磷灰石具有骨传导和骨诱导特性，具有在质料中以及质料周围增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)的复合质料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。然而这类复合质料组织工程支架的制造中仍保存许多问题。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情况下进行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，质料中含有高比例的羟基磷灰石。
 
 
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保存的问题，包括：
　　1)热熔打印技术不支持将生物活性因子直接掺入质料中;2)质料挤出历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)因为该质料主要是PCL，所以羟基磷灰石颗粒被封装并且没有袒露在该质料的外貌上，这意味着该质料所体现出的外貌性质是PCL 质料的，即平滑且不易粘附细胞; 4)为避免在制造后变形或变形，由这类复合质料制成的最终组织工程支架坚硬、易碎;5)水凝胶或细胞质料等对温度敏感的质料，不可作为该工艺的质料。
　　为克服这些问题，研究团队开发了一种包括生物活性颗粒的墨水制剂，还开发了通过该质料3D打印的组织工程支架和3D打印要领，以及在该组织生长支架上培养生命体组织的要领。
　　用于制造组织工程支架的质料，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质料，合适的聚合物粘合剂质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剖析的能力。
　　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，弹性体粘合剂为质料提供连续性、柔性和坚固性，以及弹性。
　　有关以上质料的骨再生能力，取决于质料的化学性质与机械性质的影响。例如，干细胞将对证料的硬度做出反应。在包括HAp和PCL的实验中，HAp诱导干细胞主要遵循成骨剖析途径，而PCL诱导干细胞主要遵循成软骨剖析途径。
　　由于这款油墨质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(例如卵白质，肽，生长因子和基因)和/或药物化合物，在此温度下制造的3D打印结构不会爆发热诱导降解。
　　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质料一起用于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，因为它提供了组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解。
 
 
图1。来源：US20180243484
　　研究团队基于上述油墨和3D打印要领进行了验证。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质料相结合的油墨(图1)。
　　在实例中使用的质料具有以下特性：由袒露的HAp颗粒主导的粗糙外貌 ；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 ；庞大的多孔结构。
　　为确保HAPCL 质料以及经过打印和后处理的质料是无毒无害的，同时为了丈量质料的生物相容性和骨再生潜力，研究人员对含有90wt%HAp的3D打印质料进行了体外细胞研究，并通过该质料制造了具有200μm孔隙的HAp支架。
 
 
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中积极沉积胶原卵白和其他细胞外基质元素。
 
 
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)。骨骼中发明的天然羟磷灰石为1.67，支架制造中使用的HAp为1.59。HAPCL中的细胞爆发的HAp比原始支架更为自然。这些结果均标明，HAPCL质料上的干细胞是有活力的，可增殖的，活跃地爆发细胞外基质并且正在经历成骨剖析。
　　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(即用于骨枢纽炎，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) ；韧带骨牢固装置，用于改善韧带修复手术后的整合并恢复其机械功效 ；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。
　　3D科学谷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。凭据3D科学谷的市场视察，《Plastic and Reconstructive Surgery》杂志2019年五月刊刊登了该团队宣布的论文，论文中报道了一种3D打印的超弹性骨合成质料，该质料有望成为一种经济有效的颅颌面修复新质料。开端研究结果显示，该质料加速了大鼠颅骨缺损的骨再生。
　　研究团队体现，颅颌面部重建领域关于经济有效的骨替代质料需求量大，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，还划分使用了动物自体，以及不包括骨矿物质质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质料，但这种天然质料难以获得，需要从从身体其他部位接纳骨骼，有的时候基础无法获得适合的自体骨。
　　实验结果标明，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%。而仅包括聚乙醇酸质料不包括骨矿物质质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困绕，然后被新骨细胞困绕。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。（来源：3D科学谷）

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