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3D打印的超弹性骨修复合成材料?!

2016-10-28 332浏览 标签: 美国3D打印


研究背景及关注意义

2016年9月28日,科学杂志子刊Science Translational Medicine刊载了美国西北大学一支研究团队关于一项可3D打印的超弹性骨修复合成材料的研究成果。骨修复生物材料的发展一直被持续关注,现有产品普遍存在一定缺陷,这些缺陷包括不能充分保证新骨骼适应、迅速且重复地生长;制造成本高昂;制造成型能力有限;以及外科植入难度大等。由美国西北大学材料科学与工程系、Simpson Querrey生物纳米技术研究所的助理教授Ramille N. Shah带领的研究团队开发出一种由羟基磷灰石和高分子聚合物组成材料,可以使用3D 打印的成型方式通过结构设计制备出一种超弹性“骨骼”(Hyperelastic “Bone”,HB)。这种材料经过体外、小鼠、大鼠实验,以及在对恒河猴的颅骨修复案例中,有效促进了骨骼的生长。同时,该材料有高效、快速、简便的合成方法,并且十分便于在外科手术中操作。这些优异的性能使得HB成为了现有骨修复材料中极具前景的一种。


研究内容

(2016年9月28日于科学杂志子刊Science Translational Medicine刊载的文章报道了)美国西北大学的研究人员为了解决现有骨修复材料的局限性问题,研发出一种由质量分数90%的羟基磷灰石和质量分数10%的聚己内酯(PCL)或乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)构成的骨再生生物材料,超弹性“骨骼”(Hyperelastic “Bone”,HB)。其中羟基磷灰石是生物骨骼中的天然物质,一种常见的用于骨修复植入的活性陶瓷,可以为生物体骨骼提供力学支撑,并能指引骨细胞的生长和分化;PCL以及PLGA等具有较高生物相容性的聚合物,在生物支架和植入类生物材料中也有着较为广泛的应用,在HB中作为溶剂使得材料在3D打印过程中可以黏着在一起,并为材料提供了超强的弹性。

细胞的引导生长对支架材料有孔隙形态的要求,植入材料的形态和机械强度也针对不同位置有着个性化需求,可3D打印的HB材料可以通过形态的设计同时兼顾材料的生物性能和物理性能。同时,这种生物3D打印“墨水”中还可以适应性地添加不同种类的生长因子、抗生素以及其他添加物,使得材料更具临床意义,更加便于临床操作和应用。

HB材料在室温下的3D打印成型速度可达到每小时275立方厘米。所得到的材料表现出弹性机械性能(断裂应变32-67%,弹性模量4-11MPa),材料孔隙率为50%,具有高度的吸收性。在不加入其他诱导因子的情况下进行的4周时间人骨髓间质干细胞体外培养显示了该材料具有支持细胞活力和增殖,以及诱导骨细胞分化和衍生的作用。实验通过小鼠皮下移植模型(7天及35天)、大鼠后外侧脊柱融合模型(8周)以及非人类灵长类动物颅骨缺损案例(4周),分别验证了材料的生物相容性和骨新生促进性。在测试中,HB没有引起负面免疫反应,可以迅速血管化并与周围组织整合,材料在生物体内快速硬化,并在没有添加生物因子的情况下快速促进了新骨的生长。

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