卡內基梅隆大學使用3D打印技術，研發(fā)磷酸鈣石墨烯材料用于骨再生

2022年5月8日，南極熊獲悉，卡內基梅隆大學(CMU)和康涅狄格大學(UConn)使用3D打印技術，研發(fā)新型磷酸鈣石墨烯(CaPG)材料，未來可用于骨再生應用。

研究小組試圖開發(fā)一種替代傳統(tǒng)自體骨移植的方法，這種方法可以簡單快速的治療骨缺損和骨損傷。它是一種適用于缺陷部位組織再生的3D打印生物替代材料，該材料具有許多醫(yī)療適用性，如骨誘導性、生物安全性、長保質期和合理的價格等。

△仿生3D打印的CaPG矩陣設計。圖片來自自然

3D打印與石墨烯的發(fā)展
石墨烯本來就存在于自然界，它具有輕質特性、導電性和導熱性以及極高的機械強度，自發(fā)現以來已成為生物醫(yī)學、能源生產和微電子領域應用的理想材料。

獲取石墨烯材料難點是剝離出單層結構，石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。因此這對于3D打印來說也提出了重大挑戰(zhàn)。

盡管如此，隨著3D打印的發(fā)展，人們不斷研發(fā)3D打印與石墨烯材料的結合。例如，弗吉尼亞理工大學和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)開發(fā)了一種高分辨率3D打印方法，可將石墨烯分散在凝膠中以形成可3D打印的樹脂，后者還與加州大學Cruz合作生產用于儲能設備的石墨烯氣凝膠等等。

△3DP-CaPG基質上hMSCs的相容性和成骨分化。圖片來自自然

3D打印CaPG功能性石墨烯材料
石墨烯已被納入增材制造工藝，以增強所得基質的成骨特性，用于骨再生。然而，未功能化的石墨烯材料缺乏骨誘導性，并且大多數基質都沒有在體內進行研究。

過去，人們在探索如何制造出一種合成基質，具有優(yōu)秀的骨誘導特性，同時還具有生物安全性、保質期長且生產成本效益高。其中，含有石墨烯的材料因其優(yōu)異的化學、機械和生物學特性而受到廣泛關注。

含石墨烯的材料可以促進細胞的粘附和生長，一些證據表明它們具有成骨潛力，因此這些材料正越來越多地用作骨再生工程。然而，單獨的氧化石墨烯缺乏在損傷部位啟動天然骨再生能力。此外，該團隊還觀察到，雖然氧化石墨烯薄片具有出色的機械性能，但它的大塊結構缺乏為再生骨骼提供穩(wěn)定的機械性能。

因此，他們成功地創(chuàng)建了一個功能化改性的石墨烯，稱為磷酸鹽石墨烯，具有很好的骨再生的潛力。通過添加鈣3D打印了一種模擬骨骼的CaPG材料（鈣能夠促進干細胞分化為骨細胞）。

△小鼠顱骨缺損模型中基質的生物相容性。圖片來自自然

骨再生技術的進步
該團隊使用生物制造公司Dimension Inx的直接墨水書寫(DIW) 3D打印方法，來制造具有多孔結構的CaPG材料，其中墨水中石墨的含量“非常高”（約 90%）。這使得細胞能夠進入骨傳導主干，并控制鈣和磷酸鹽離子的釋放，這意味著宿主對基質的反應主要依靠石墨烯的含量，而不是生物惰性粘結劑。

該團隊可以輕松地打印具有特定幾何形狀的構矩陣，用于細胞和動物研究。該小組指出，也可以直接打印匹配特定的骨缺損。因此，3D打印可與CaPG材料完美相結合，為骨再生工程提供了可定制的新技術。

△3DP-CaPG基質的生物降解和生物分布。圖片來自自然

有關該研究的更多信息，請參見《自然》雜志上發(fā)表的題為“超低粘合劑含量3D打印磷酸鈣石墨烯支架是一種可吸收的骨誘導基質，支持體內骨形成”的論文。該研究由L. Daneshmandi、B. Holt、A. Arnold、C. Laurencin 和 S. Sydlik等共同撰寫（點我傳送門）。

對于體內試驗，CaPG與骨髓基質細胞(BMSCs)結合，以促進小鼠皮下空間內骨骼的形成。發(fā)現CaPG基質能夠在體內進行再吸收和生物降解，該團隊稱這對于合成材料來說是罕見的，并表明有望成為可吸收的骨誘導基質。

此外，該團隊在研究期間觀察到沒有對重要器官造成有害影響。展望未來，研究人員將進行進一步的開發(fā)，增強3D打印CaPG基質的機械性能，并測試其在體內的長期安全性。