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【中國智能制造網(wǎng) 技術(shù)前沿】日前，近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所在3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)生物陶瓷用于血管化大塊骨缺損修復(fù)方面取得新進(jìn)展。該研究團(tuán)隊受到自然界中蓮藕內(nèi)部平行多通道結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，采用3D打印制備出仿生蓮藕支架。
靈感源于蓮藕 我國研發(fā)新型3D打印生物陶瓷支架
臨床上，大塊骨缺損的修復(fù)是人類面臨的挑戰(zhàn)之一，3D打印技術(shù)可以便捷的制備形狀可控的多孔支架材料，廣泛應(yīng)用于生物材料和骨組織工程領(lǐng)域。傳統(tǒng)3D打印支架具有多孔的結(jié)構(gòu)，將材料植入缺損部位后，營養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)胞沿著孔向內(nèi)滲入支架內(nèi)部，有利于骨組織向內(nèi)長入，促進(jìn)骨缺損的修復(fù)。
然而，傳統(tǒng)3D打印支架在大塊骨缺損方面仍顯不足。傳統(tǒng)3D打印支架由實(shí)心的基元堆疊而成，降低了材料的孔隙率；傳統(tǒng)3D打印支架的孔隙呈階梯三維延伸狀，并沒有形成平直的孔道狀，在流體力學(xué)上有較強(qiáng)的流體阻力，不利于營養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)胞滲入支架內(nèi)部，阻礙了修復(fù)過程中的成血管和成骨。
近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊，在3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)生物陶瓷用于血管化大塊骨缺損修復(fù)方面取得新進(jìn)展。該研究團(tuán)隊受到自然界中蓮藕內(nèi)部平行多通道結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，采用3D打印制備出仿生蓮藕支架，并與上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院蔣欣泉團(tuán)隊合作，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)該類支架相對于傳統(tǒng)3D打印支架，具有顯著提高大塊骨缺損的修復(fù)的能力。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Science上，并申請一項。
該研究團(tuán)隊把傳統(tǒng)3D打印支架每個基元的內(nèi)部做成平行多通道結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有望促進(jìn)新血管和骨組織的長入，有利于骨缺損的修復(fù)，并重新設(shè)計了內(nèi)部共軸鑲嵌的擠壓式3D打印針頭，通過改進(jìn)的3D打印制備方法，實(shí)現(xiàn)一次性打印仿生蓮藕支架，改進(jìn)的3D打印方法能夠調(diào)控仿生蓮藕支架的物理和化學(xué)性質(zhì)。
采用該方法不僅可以用各種生物陶瓷(Akermanite， Al2O3， ZrO2)、金屬Fe和高分子海藻酸鈉等多種材料制備出仿生蓮藕支架，而且能制備出不同形狀、孔道數(shù)目、孔道直徑的仿生蓮藕支架。此外，通過調(diào)控3D支架的基元堆砌方式和孔道數(shù)目，來調(diào)控該仿生蓮藕支架的孔隙率和力學(xué)強(qiáng)度。該仿生蓮藕支架的高孔隙率達(dá)到80%，力學(xué)強(qiáng)度可達(dá)40MPa以上，能滿足骨缺損修復(fù)材料的要求。
研究團(tuán)隊進(jìn)一步通過選擇生物活性良好的鎂黃長石(Akermanite)陶瓷作為基體代表材料，來探究這種仿生蓮藕材料在骨組織再生工程中的性能和應(yīng)用，分別制備了具有單孔道、雙孔道、三孔道和四孔道的仿生蓮藕生物陶瓷支架。體外生物學(xué)分析結(jié)果表明，與傳統(tǒng)3D支架相比，該仿生蓮藕鎂黃長石生物陶瓷支架更有利于細(xì)胞的粘附和增殖，并隨著通道數(shù)目的增加，其效果越明顯增加。
體內(nèi)動物實(shí)驗(yàn)表明，該仿生蓮藕生物支架提高了骨組織再生能力和成血管化效應(yīng)，有利于骨缺損的修復(fù)。與傳統(tǒng)的3D生物活性支架相比，該3D打印仿生蓮藕生物支架更有利于營養(yǎng)物質(zhì)向支架內(nèi)部的傳輸，引導(dǎo)細(xì)胞和組織向內(nèi)長入，從而促進(jìn)前期的成血管以及后期的成骨，提高了骨缺損的修復(fù)性能。由于其多通道高孔隙率的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該種材料還可以用于藥物大分子裝載、表面功能化修飾以及催化、能源、環(huán)境等其他領(lǐng)域。
(原標(biāo)題：受蓮藕結(jié)構(gòu)啟發(fā)的3D打印生物陶瓷支架改善血管化和骨生長)
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