上海大學提出非溶劑輔助3D打印制造仿生骨新策略

來源：EngineeringForLife

骨組織由羥基磷灰石與膠原纖維結合而成。其中膠原纖維成束存在，直徑0.5~20微米，有分支并交織成網(wǎng)。成纖維細胞于細胞外聚合為膠原原纖維（collagen fibril），直徑20～200微米，再經(jīng)少量黏合質(zhì)黏結成膠原纖維。通過先進增材制造技術制造具有仿生結構的人工骨受到了科研人員的關注。通常做法是先通過靜電紡絲等技術制備纖維，再與墨水復合用于3D打印制造仿生骨。但由于3D打印對墨水的嚴苛要求，纖維添加過多或會顯著影響墨水流變特性，從而導致打印失敗。

上海大學尹靜波、張坤璽教授聯(lián)合復旦大學附屬閔行區(qū)中心醫(yī)院、同濟大學附屬同濟醫(yī)院基于聚（L-谷氨酸芐酯）（PBLG）在成螺溶劑中的自組裝特性，提出一種非溶劑輔助3D打印方法，在實現(xiàn)PBLG基復合材料3D打印的同時一步法生成仿生纖維結構，以模擬天然骨組織中膠原纖維束的形成。研究成果發(fā)表在《Advanced Functional Materials》，論文題目為“Biomimetic Fibrous Bone Substitute Manufacture through Non-Solvent-Assisted 3D Printing”。

Figure 1.Schematic representation of the biomimetic bone manufacturing through 3D printing.

Figure 2. Generation of biomimetic fiber structure.

研究首先說明PBLG在有機成螺溶劑中可自組裝形成納米原纖維，然而有機溶劑去除后無法保持納米纖維結構。非溶劑乙醇引入后，原纖維會進一步生長成為尺寸更大的亞微米級纖維，且溶劑去除后可保持纖維結構。研究同時揭示醇羥基介導的分子間氫鍵相互作用是PBLG原纖維生長成亞微米纖維的重要影響因素。這一納米纖維向亞微米纖維的轉(zhuǎn)變可實現(xiàn)對“組織中膠原原纖維經(jīng)少量黏合質(zhì)黏結成膠原纖維這一特征”的模擬。

Figure 3. Preparation of PBLG/nHA inks.

Figure 4. Evaluation of the printed biomimetic bone.

進一步，研究證實了即使是高濃度PBLG，非溶劑也可以誘導纖維結構形成，這為3D打印提供了可行性，因為往往擠出打印需要墨水濃度較高。在此基礎上，將PBLG溶液與納米羥基磷灰石nHA復合制備打印墨水。然而無論是PBLG溶液還是復合nHA的PBLG溶液都不具備可打印性。但是如果將乙醇作為接收相，即在乙醇中擠出，PBLG/nHA復合體系則具有優(yōu)異的可打印性，并揭示nHA與PBLG之間的氫鍵相互作用促使溶于1,4-二氧六環(huán)中的PBLG和nHA混合物表現(xiàn)出優(yōu)異的可擠出性、自支撐性和可塑性。同時為了兼顧可打印性和纖維結構的生成，研究對墨水組分進行了優(yōu)化，實現(xiàn)墨水打印的同時同步生成仿生纖維結構。值得一提的是，纖維生成過程中，nHA與PBLG通過相互作用結合，不僅是對基質(zhì)組成的仿生，也賦予打印材料優(yōu)異的力學特性（36.59 ± 2 MPa）。過多nHA無法與PBLG形成相互作用而在材料中形成應力集中，反而負面影響材料力學特性，這一結果可以幫助理解骨組織的結構-性能規(guī)律。

Figure 5.Omnidirectional 3D printing of the PBLG/nHA inks.

最后，研究為進一步克服層層堆疊打印因重力導致的塌陷缺點以及打印性能與仿生纖維制備的矛盾，制備了乙醇凝膠作為支撐浴，實現(xiàn)全相打印，擴大打印窗口。纖維結構引起的細胞遷移效應和優(yōu)異的力學支撐性使其可能成為潛在的骨替代物。該研究提出的新型非溶劑輔助3D打印制造策略，突破了針對稀溶液自組裝成纖維的局限性，實現(xiàn)了PBLG基材料的3D打印和仿生纖維結構構筑，展現(xiàn)出仿生材料大規(guī)模制造的巨大潛力。

參考資料：https://doi.org/10.1002/adfm.202419464