倫敦大學(xué)新研究：DIW 3D打印生物活性骨植入物展現(xiàn)良好特性

導(dǎo)讀： 3D 打印制造骨植入物具有諸多優(yōu)勢：除了能夠根據(jù)患者體型定制幾何形狀外，該技術(shù)還能與多種材料兼容，從而實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)植入物（通常由鈦制成）更理想的性能。

2025年9月28日，南極熊獲悉，倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員探討了墨水成分和打印設(shè)計(jì)的相互作用如何塑造3D 打印骨植入物的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和生物活性。通過使用定制的直接墨水書寫 (DIW) 打印機(jī)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出了能夠更好地引導(dǎo)骨細(xì)胞生長并保持穩(wěn)定性的植入物。這項(xiàng)研究建立在其他旨在改進(jìn)骨修復(fù)個(gè)性化治療的研究基礎(chǔ)之上。

這項(xiàng)研究以題為“Direct ink writing of bioactivePCL/laponite bone Implants: Engineering the interplay of design, process,structure, and function”的論文發(fā)表在《生物醫(yī)學(xué)技術(shù)》雜志上，揭示了調(diào)整打印油墨和材料沉積方式如何改變植入物的強(qiáng)度和愈合潛力。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.bmt.2025.100101

DIW 是一種基于擠壓的增材制造技術(shù)，它在室溫下使用油墨進(jìn)行打印，這與依賴加熱絲的FDM 技術(shù)不同。據(jù)研究人員稱，他們的 3D 打印植入物機(jī)械性能穩(wěn)定，同時(shí)仍能促進(jìn)骨細(xì)胞生長并形成新組織。

△本研究的圖形摘要

主要發(fā)現(xiàn)

此前已有關(guān)于3D打印骨植入物的研究，那么這項(xiàng)研究有何亮點(diǎn)？倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，如果以不同的角度打印植入物，它們的表現(xiàn)會出乎意料。本研究的主要作者、倫敦大學(xué)學(xué)院的陳紅毅解釋說：“在熔融沉積成型（一種常見的3D打印方法）中，以與施加力相同的方向打印細(xì)絲通常會使植入物更堅(jiān)固。但采用我們的方法，我們發(fā)現(xiàn)了相反的結(jié)果——以90度打印的植入物實(shí)際上強(qiáng)度更高，因?yàn)榧?xì)絲粘合得更有效。”

此外，研究團(tuán)隊(duì)還在打印油墨中添加了納米粘土（Laponite）的微小顆粒。陳教授說道：“這些顆粒使油墨更稠，有助于打印形狀保持形狀，同時(shí)釋放生物活性離子，促進(jìn)骨細(xì)胞附著和生長?！敝档米⒁獾氖?，與純聚合物植入物相比，含有Laponite的植入物的剛度提高了110%。此外，這些植入物上的成骨細(xì)胞隨著時(shí)間的推移表現(xiàn)出更強(qiáng)的增殖和礦化作用。礦化是指礦物質(zhì)（鈣、磷等）在新形成的有機(jī)骨基質(zhì)部位的結(jié)合，從而導(dǎo)致骨密度的增加。

△定制的DIW 打印機(jī)（左）和 UltiMaker Cura 預(yù)覽模式下的 3D 模型（右）

陳補(bǔ)充道：“這項(xiàng)研究的獨(dú)特之處在于，我們并非孤立地研究某個(gè)因素。通過研究墨水成分、打印方向、結(jié)構(gòu)、機(jī)械行為和細(xì)胞反應(yīng)之間的相互作用，我們能夠了解每個(gè)階段的設(shè)計(jì)選擇如何影響最終的生物學(xué)結(jié)果?！?/div>

△拉伸試驗(yàn)后，對 3D 打印啞鈴形拉伸試樣規(guī)格部分的斷裂形態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)評估，比較了兩種方向和兩種油墨。

這項(xiàng)研究本質(zhì)上提出了一種開發(fā)骨植入物的新方法，使研究人員能夠?qū)C(jī)械穩(wěn)定性與生物活性相結(jié)合。這為顱頜面重建和牙骨移植等領(lǐng)域帶來了潛在的益處。未來，研究人員計(jì)劃探索多孔且更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，并測試臨床前模型。如果證明有效，這種方法將能夠在醫(yī)院實(shí)驗(yàn)室或護(hù)理點(diǎn)快速生產(chǎn)針對特定患者的植入物。

△HOB細(xì)胞的礦化評估

基于3D打印生物活性骨植入物的研究

多年來，研究人員一直在開發(fā)3D打印骨植入物。其中包括亞利桑那大學(xué)2019年的一項(xiàng)研究，探索了利用3D打印骨骼治療骨折的方法，以及Particle3D公司的3D打印骨植入物和羅斯托克大學(xué)的ELAINE（電活性植入物）項(xiàng)目。最近，德國德紹市立醫(yī)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)首次成功植入了生物可吸收的顱骨假體?？偟膩碚f，這項(xiàng)活動表明了全球?qū)﹂_發(fā)個(gè)性化、機(jī)械穩(wěn)定且能夠促進(jìn)新組織生長的骨植入物的興趣。