靈感源于雪花的新策略：3D打印精準(zhǔn)構(gòu)建仿骨結(jié)構(gòu)梯度支架

來源：Research科學(xué)研究

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)藥所退行性中心阮長(zhǎng)順、潘浩波和哈爾濱工業(yè)大學(xué)富宏亞團(tuán)隊(duì)交叉協(xié)作，提出一種可用于擠出式3D打印的仿“松質(zhì)骨-皮質(zhì)骨”徑向梯度的骨組織工程支架構(gòu)筑策略，將分形學(xué)應(yīng)用于仿生骨支架設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)擠出式3D打印技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)徑向梯度孔隙結(jié)構(gòu)的困難，相關(guān)成果以“Fractal Design Boosts Extrusion-Based 3D Printing of Bone-Mimicking Radial-Gradient Scaffolds”為題發(fā)表在Research上。

研究背景
臨界骨缺損作為骨科面臨的主要問題之一嚴(yán)重影響人們的健康和生活質(zhì)量。
成年人體骨由高孔隙率的松質(zhì)骨和低孔隙率的密質(zhì)骨組成。
最近Science研究論文表明天然骨組織具有從納米尺度到宏觀尺度至少12級(jí)的分形狀組織。

為了模擬天然骨的梯度孔隙結(jié)構(gòu)，包括維諾鑲嵌法（Voronoi tessellation method）、三重周期性極小曲面（TPMS）、拓?fù)鋬?yōu)化等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）方法已被用于設(shè)計(jì)具有復(fù)雜梯度結(jié)構(gòu)的骨支架模型，但是上述方法所得支架的制造技術(shù)主要為數(shù)字光處理（DLP）、選擇性激光熔融（SLM）、電子束熔融（EBM）和立體光刻（SLA）等，它們多為對(duì)生物制造相對(duì)不友好的3D打印技術(shù)。

擠出式3D打印（Extrusion-Based 3D Printing）因其操作簡(jiǎn)單、可用材料范圍廣、易于細(xì)胞打印等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，目前雖有一些文獻(xiàn)通過調(diào)整擠出絲束直徑和分布間距等參數(shù)來設(shè)計(jì)具有軸向梯度孔隙的支架，但對(duì)于支架沿徑向梯度變化的研究較為缺失。

研究進(jìn)展
鑒于此，作者受分形理論的啟發(fā)，基于科赫雪花的迭代規(guī)則設(shè)計(jì)，定義了分形支架的分形曲線的單元線條。

通過將分形單元線條進(jìn)行圓周陣列得到分形層，并設(shè)計(jì)圓環(huán)層使其在擠出式3D打印堆積成型的過程中與分形層相互支撐（圖1）。

圖1 仿生徑向梯度骨組織工程支架的設(shè)計(jì)

此外，為了參數(shù)化構(gòu)建徑向梯度骨組織工程支架，搭建了“設(shè)計(jì)-制造”的工作流，并構(gòu)建了關(guān)于支架的孔隙率、機(jī)械性能、滲透性能等參數(shù)的性能分析（圖2）。

圖2 設(shè)計(jì)-制造工作流

研究結(jié)果表明所構(gòu)建的仿生徑向梯度支架在孔隙結(jié)構(gòu)、滲透性能、機(jī)械性能等方面展現(xiàn)優(yōu)異的梯度特征（圖3）。

圖3 擠出式3D打印仿生支架的孔隙結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和滲透性能

未來展望
本文已證實(shí)分形設(shè)計(jì)策略在擠出式3D打印構(gòu)建仿生梯度多孔支架方面具有可行性。未來，課題組將進(jìn)一步論證梯度結(jié)構(gòu)在骨修復(fù)過程中的生物學(xué)功能，旨在推動(dòng)本研究所提出分形設(shè)計(jì)策略應(yīng)用于臨床組織工程骨的構(gòu)建應(yīng)用。

此外，還將其擴(kuò)展應(yīng)用到其他生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，如個(gè)性化軟骨、整形修復(fù)等。