香港城市大學開發(fā)出骨修復智能支架，展現(xiàn)3D/4D 生物壓電打印新潛力

導讀：近年來，生物工程與3D打印的結合給醫(yī)學領域帶來了許多突破性的進展，這些技術在骨再生領域同樣展現(xiàn)出來巨大的應用潛力。人體骨骼具有一種獨特的特性，即壓電性，使它們在受到壓縮或拉伸時能夠產生電荷。壓電現(xiàn)象對于骨修復、促進細胞代謝和新骨形成起著至關重要的作用。然而，目前的增材制造支架主要側重于仿生拓撲結構和力學微環(huán)境的重建，而忽視了骨再生中至關重要的電微環(huán)境（EM）。

2023年7月26日，南極熊獲悉，近日發(fā)表在《International Journal of ExtremeManufacturing》期刊上的一項開創(chuàng)性研究揭示了 3D/4D 打印生物壓電支架的前景，為下一代骨組織工程提供了一種變革性方法。相關論文題為“3D/4D printed bio-piezoelectric smart scaffolds for next-generationbone tissue engineering/用于下一代骨組織工程的 3D/4D 打印生物壓電智能支架”，由來自香港城市大學的Annan Chen、Jian Lu等人聯(lián)合撰寫。

相關論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/acd88f

人體骨骼中的壓電一直是骨骼再生的成熟機制。這一發(fā)現(xiàn)為研究人員探索無鉛生物壓電材料開辟了新途徑，該材料具有優(yōu)異的可加工性、生物相容性和多細胞誘導性。由這些材料衍生的生物壓電支架表現(xiàn)出誘導骨細胞分化、促進血管細胞募集、甚至有助于神經細胞修復的優(yōu)異能力。該支架最令人印象深刻的特點在于其微創(chuàng)或無創(chuàng)重建策略，允許使用可編程超聲或磁治療來調節(jié)時間線、持續(xù)時間和強度的體內電刺激。

△論文概述通過 DIW、FDM、BJ、SLS、DLP 和 TPP 等 3D/4D 打印方法創(chuàng)建的智能生物壓電支架作為骨組織工程有前途的替代方案的潛力。（照片來源：Annan Chen 等人 2023 Int. J. Extrem. Manuf.）

3D/4D 打印技術的重大進步進一步增強了生物壓電支架的潛力。這種 4D 打印涉及創(chuàng)建結構，這些結構表現(xiàn)出響應外部刺激的時間依賴性功能轉移行為。因此，4D功能轉換生物壓電支架提供了可編程的電生理微環(huán)境，可促進組織再生。

盡管這項技術前景廣闊，但當前的 3D/4D 打印能力與生物壓電支架的臨床要求之間仍然存在顯著差距。它的發(fā)展需要材料科學、機械工程和生物工程等多學科研究的共同努力。來自骨科、口腔醫(yī)學和腫瘤學等各個醫(yī)學領域的專家的合作研究已經在進行中，以釋放這些智能生物壓電支架的全部潛力。

△熔融沉積建模 (FDM) 原理圖和其他潛在的生物壓電支架 4D 打印策略（照片來源：Annan Chen 等人 2023 Int. J. Extrem. Manuf.）

該研究的第一作者、香港城市大學博士后研究員陳安南 (Annan Chen) 表示：“原則上，這開創(chuàng)了智能生物壓電支架的設計和制造的新示范，該支架通過模仿組織關鍵的電微環(huán)境來促進骨修復�！�

香港城市大學著名專家陸健教授也對這一突破的革命性影響表示認可：“通過多學科研究的協(xié)作努力，3D/4D打印有望很快充分發(fā)揮其在為下一代組織工程創(chuàng)建智能生物壓電支架方面的潛力。此外，我們還可以從智能制造、仿生醫(yī)學、機器學習等一些前沿技術中汲取靈感，進一步推動該技術的臨床應用�！�

開創(chuàng)骨組織工程新時代

通過有效彌合當前能力和臨床需求之間的差距，我們可以預見醫(yī)學治療的新時代，能夠為患者提供更好的的骨修復和恢復改善方案，最終改變再生醫(yī)學的格局。借助這些智能支架，患者可以期待個性化且高效的骨修復解決方案，從而迎來醫(yī)療技術變革的新時代。

生物工程、3D 打印和各類醫(yī)學專家之間的合作為更光明的未來鋪平了道路，使骨再生變得更加高效、易于實現(xiàn)且以患者為中心。隨著技術的進步和研究人員不斷探索 3D/4D 打印生物壓電支架的潛力，隨著我們接近骨組織工程突破性時代的尖端，未來看起來越來越有希望。