【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學院合肥物質(zhì)院強磁場中心王俊峰研究員團隊在開發(fā)新型3D生物打印復合材料用于組織工程修復領域取得了系列研究進展，相關研究發(fā)表在國際期刊Materials&Design和International Journal of Biological Macromolecules。
3D生物打印技術，作為前沿的生物制造技術，通過使用活細胞、支架材料、生長因子等生物活性物質(zhì)來構建復雜的生物組織，模仿天然組織的功能和形態(tài)。這項技術在生物組織修復中具有眾多優(yōu)勢。首先，它能根據(jù)患者需求制造個性化組織或器官，適用于復雜損傷的修復；其次，它可使用患者自身細胞打印與其基因匹配的組織，減少免疫排斥；此外它還能再生復雜組織，如血管化組織和神經(jīng)組織。
目前常用的3D生物打印材料包括用于硬組織修復的聚己內(nèi)酯(PCL)和聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)，以及用于軟組織修復的水凝膠(如明膠、海藻酸鹽、透明質(zhì)酸)。盡管3D生物打印技術潛力巨大，但材料選擇與優(yōu)化始終是制約3D生物打印技術發(fā)展的關鍵因素，特別是材料的生物相容性、機械性能、可降解性和打印精細度等特性。
生物硼基玻璃(BBG)是一種生物活性材料，在骨組織修復和再生醫(yī)學中已有廣泛應用。生物玻璃能夠與人體組織和細胞良好相容，能夠被機體識別并促進組織的整合。生物玻璃在接觸體液時能夠形成一層羥基磷灰石(HA)表面，這種層能夠促進骨細胞的黏附和生長，促進骨組織的再生。生物玻璃的降解速度可以通過調(diào)控其化學成分來調(diào)整，以滿足不同組織的修復需求。合適的降解速度可以確保材料在組織再生過程中逐漸被體內(nèi)組織取代，而不會產(chǎn)生過快或過慢的降解。生物玻璃可以與其他材料(如聚合物、水凝膠)復合使用，形成具有高機械強度和良好加工性能的材料，在3D生物打印材料中的應用展現(xiàn)出巨大潛力。
在骨組織修復中，研究團隊利用BBG的獨特理化特性，結合生物支架體BCC單元設計了含有不同BBG含量(0%、5%、10%、20%和40%)的定制BBG/PCL復合材料，并通過選擇性激光燒結(SLS)技術3D打印出高質(zhì)量的骨缺損修復支架。系統(tǒng)評估了這些BBG/PCL復合支架的孔隙幾何形狀、孔隙率、機械強度、親水性、蛋白質(zhì)吸附、降解行為、體外細胞相容性、成骨分化行為及體內(nèi)生物學性能，以用于大段骨缺損(CSBD)修復。實驗結果表明，BBG的加入顯著改善了支架的綜合性能，包括適宜的孔隙率、機械強度、親水性、體外降解速率、細胞相容性、成骨分化能力及體內(nèi)成骨和血管生成的生物學性能。研究發(fā)現(xiàn)，20% BBG含量為材料性能的最佳配比，20BBG/PCL復合支架表現(xiàn)出68.5%的孔隙率、650微米的孔徑和0.860 MPa的壓縮強度。
在軟組織修復中，團隊基于對BBG的特殊內(nèi)外生物礦化特性的深入研究，將BBG顆粒引入海藻酸鈉(SA)中，構建了高精度3D打印的BBG-SA生物墨水。研究表明，BBG與SA結合后，能夠有效誘導降解并釋放Ca²?，啟動SA的內(nèi)部凝膠化過程。同時，BBG作為填料解決了傳統(tǒng)使用氯化鈣(CaCl?)進行外部交聯(lián)時造成的凝膠化不均勻和顯著收縮問題。通過擠出式3D打印技術，團隊設計了含有不同BBG含量(0%、0.3%、0.5%、0.7%)的3D打印水凝膠復合支架，并系統(tǒng)評估了BBG-SA水凝膠的流變特性、打印精度和成型收縮情況。結果表明，添加BBG顯著改善了海藻酸鈉在3D打印中的低打印精度和成型收縮問題，其中0.5% BBG-SA配方表現(xiàn)出最佳的可打印性、打印精度和成型收縮，展示了在組織工程3D生物打印中的應用潛力。這些新型生物墨水還展現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性，增強了MC3T3-E1細胞在支架表面的黏附和增殖，并促進了軟組織相關基因和蛋白質(zhì)的表達。
以上工作獲得了國家自然科學基金、中國科學院合肥物質(zhì)院院長基金以及中國科大研究生雙創(chuàng)基金的資助和支持。
圖1. 個性化BBG/PCL復合多孔支架SLS制備過程
圖2. 20BBG/PCL支架指引兔子橈骨大段骨缺損再生效果良好
圖2. 0.5% BBG-SA生物墨水表現(xiàn)出最佳的可打印性、打印精度和成型收縮為組織工程中的3D生物打印提供了一個有前景的平臺
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