從廢棄動(dòng)物骨骼中提取生物相容性納米墨水的3D打印

供稿人：張?jiān)?、高?
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　
來源：中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打?。┓謺?huì)

墨水直寫（DIW）增材制造是一種用于組織工程修復(fù)和再生變形或缺失的器官或組織的理想技術(shù)，其挑戰(zhàn)在于在不堵塞噴嘴的情況下能夠合成結(jié)構(gòu)更好的“墨水”。骨替代支架目前依賴于陶瓷無機(jī)材料(羥基磷灰石(HA))來增強(qiáng)聚合物基質(zhì)。一塊天然的人骨含有50−70%重量百分比的HA，實(shí)現(xiàn)人工骨如此高的無機(jī)負(fù)載量仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。此外，目前增強(qiáng)的無機(jī)顆粒是由非常復(fù)雜的化學(xué)合成方法制成的，所生產(chǎn)的材料可能有毒，導(dǎo)致身體排斥反應(yīng)，可能需要二次手術(shù)修復(fù)。

近日，印度理工學(xué)院卡拉格普爾分校的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種從廢舊雞骨頭中合成生物墨水的技術(shù)，并展示了其在醫(yī)療支架3D打印中的潛能。

圖1 雞骨提取鈣亞微米顆粒、墨水制備及3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)示意圖

圖1a為從骨骼中提取鈣亞微米顆粒的過程。收集骨骼煮熟，浸泡在過氧化氫中，去除附著在其上的肉并在空氣中晾干，最后用檸檬酸釋放膠原基質(zhì)中的無機(jī)顆粒。圖1b為墨水制備過程。使用雙蒸餾水作為溶劑來制備墨水溶液，在水中加入5wt%的聚乙烯醇（PVA）作為粘合劑，將溶液脫氣3小時(shí)后加入10wt%甘油和5wt%聚乙二醇（PEG）400。圖1c為使用Hyrel Engine HR打印機(jī)以0.9mm的優(yōu)化噴嘴直徑打印樣品的過程。取溶液5 mL，加入骨粉（～3.7 g），制備印刷用油墨。在用刮刀適當(dāng)攪拌2小時(shí)后，得到厚而粘稠的漿液，然后將這種墨水裝入注射器中，通過噴嘴擠出進(jìn)行打印，打印層厚度為0.5mm、橫向滑動(dòng)速度200mm/s、體積流速為90mm3/min。

骨頭通常是受壓縮載荷的，因此對(duì)使用該生物墨水打印的圓柱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)。應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖顯示抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到1.8MPa。在壓縮過程中，圓柱體變成了硬幣的形狀，表面沒有明顯的裂縫，這表明了印刷結(jié)構(gòu)的延展性。

根據(jù)ASTM C1161-13規(guī)定尺寸打印樣品并對(duì)其做三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。觀察到試樣沒有斷裂。使用彎矩方程計(jì)算樣品的抗彎強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)抗彎強(qiáng)度為2.050616 MPa，最大撓度為8.3116 mm。由于試樣可以承受巨大的彎曲而不發(fā)生斷裂，它可以應(yīng)用于承載載荷，如牙科應(yīng)用中的牙橋。

對(duì)打印材料的膨脹特性進(jìn)行了評(píng)估，以檢查其在植入部位吸收體液的能力。結(jié)果表明，打印材料的膨脹率在24小時(shí)內(nèi)沒有太大的變化，這有利于支架的體內(nèi)應(yīng)用。對(duì)打印材料的降解率隨時(shí)間的變化進(jìn)行評(píng)估。在試驗(yàn)的最初幾天降解率較高，然后逐漸下降。在本研究中，觀察到降解率在第7天約為10%，說明它可以應(yīng)用為骨裂縫的填充材料。

圖2 對(duì)照組與生物墨水組細(xì)胞活性測試

圖2說明生物墨水具有生物相容性。將對(duì)照組和生物墨水組培養(yǎng)的細(xì)胞生物活性進(jìn)行比較，并提供了連續(xù)三天的相對(duì)值。從第1天開始，可以看到細(xì)胞活力超過80%，并且隨著時(shí)間的推移不斷增加，進(jìn)一步說明了所制生物墨水具有良好的生物相容性。

這項(xiàng)研究所制造的生物墨水3D打印的部件顯示出更好的機(jī)械性能和生物相容性，對(duì)未來的骨移植有應(yīng)用潛力；使用生物材料或生物衍生材料減少了對(duì)化石來源材料的需求，并對(duì)環(huán)境產(chǎn)生長期的良好影響；同時(shí)也可以極大地幫助目前正在全世界范圍內(nèi)推廣的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

參考文獻(xiàn)：
Das M, Jana A, Mishra R, et al. 3D Printing of a Biocompatible Nanoink Derived from Waste Animal Bones[J]. ACS Applied Bio Materials, 2023.