上海大學(xué)提出非溶劑輔助3D打印制造仿生骨新策略

來源：EngineeringForLife

骨組織由羥基磷灰石與膠原纖維結(jié)合而成。其中膠原纖維成束存在，直徑0.5~20微米，有分支并交織成網(wǎng)。成纖維細胞于細胞外聚合為膠原原纖維（collagen fibril），直徑20～200微米，再經(jīng)少量黏合質(zhì)黏結(jié)成膠原纖維。通過先進增材制造技術(shù)制造具有仿生結(jié)構(gòu)的人工骨受到了科研人員的關(guān)注。通常做法是先通過靜電紡絲等技術(shù)制備纖維，再與墨水復(fù)合用于3D打印制造仿生骨。但由于3D打印對墨水的嚴苛要求，纖維添加過多或會顯著影響墨水流變特性，從而導(dǎo)致打印失敗。

上海大學(xué)尹靜波、張坤璽教授聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)附屬閔行區(qū)中心醫(yī)院、同濟大學(xué)附屬同濟醫(yī)院基于聚（L-谷氨酸芐酯）（PBLG）在成螺溶劑中的自組裝特性，提出一種非溶劑輔助3D打印方法，在實現(xiàn)PBLG基復(fù)合材料3D打印的同時一步法生成仿生纖維結(jié)構(gòu)，以模擬天然骨組織中膠原纖維束的形成。研究成果發(fā)表在《Advanced Functional Materials》，論文題目為“Biomimetic Fibrous Bone Substitute Manufacture through Non-Solvent-Assisted 3D Printing”。

Figure 1.Schematic representation of the biomimetic bone manufacturing through 3D printing.

Figure 2. Generation of biomimetic fiber structure.

研究首先說明PBLG在有機成螺溶劑中可自組裝形成納米原纖維，然而有機溶劑去除后無法保持納米纖維結(jié)構(gòu)。非溶劑乙醇引入后，原纖維會進一步生長成為尺寸更大的亞微米級纖維，且溶劑去除后可保持纖維結(jié)構(gòu)。研究同時揭示醇羥基介導(dǎo)的分子間氫鍵相互作用是PBLG原纖維生長成亞微米纖維的重要影響因素。這一納米纖維向亞微米纖維的轉(zhuǎn)變可實現(xiàn)對“組織中膠原原纖維經(jīng)少量黏合質(zhì)黏結(jié)成膠原纖維這一特征”的模擬。

Figure 3. Preparation of PBLG/nHA inks.

Figure 4. Evaluation of the printed biomimetic bone.

進一步，研究證實了即使是高濃度PBLG，非溶劑也可以誘導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)形成，這為3D打印提供了可行性，因為往往擠出打印需要墨水濃度較高。在此基礎(chǔ)上，將PBLG溶液與納米羥基磷灰石nHA復(fù)合制備打印墨水。然而無論是PBLG溶液還是復(fù)合nHA的PBLG溶液都不具備可打印性。但是如果將乙醇作為接收相，即在乙醇中擠出，PBLG/nHA復(fù)合體系則具有優(yōu)異的可打印性，并揭示nHA與PBLG之間的氫鍵相互作用促使溶于1,4-二氧六環(huán)中的PBLG和nHA混合物表現(xiàn)出優(yōu)異的可擠出性、自支撐性和可塑性。同時為了兼顧可打印性和纖維結(jié)構(gòu)的生成，研究對墨水組分進行了優(yōu)化，實現(xiàn)墨水打印的同時同步生成仿生纖維結(jié)構(gòu)。值得一提的是，纖維生成過程中，nHA與PBLG通過相互作用結(jié)合，不僅是對基質(zhì)組成的仿生，也賦予打印材料優(yōu)異的力學(xué)特性（36.59 ± 2 MPa）。過多nHA無法與PBLG形成相互作用而在材料中形成應(yīng)力集中，反而負面影響材料力學(xué)特性，這一結(jié)果可以幫助理解骨組織的結(jié)構(gòu)-性能規(guī)律。

Figure 5.Omnidirectional 3D printing of the PBLG/nHA inks.

最后，研究為進一步克服層層堆疊打印因重力導(dǎo)致的塌陷缺點以及打印性能與仿生纖維制備的矛盾，制備了乙醇凝膠作為支撐浴，實現(xiàn)全相打印，擴大打印窗口。纖維結(jié)構(gòu)引起的細胞遷移效應(yīng)和優(yōu)異的力學(xué)支撐性使其可能成為潛在的骨替代物。該研究提出的新型非溶劑輔助3D打印制造策略，突破了針對稀溶液自組裝成纖維的局限性，實現(xiàn)了PBLG基材料的3D打印和仿生纖維結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，展現(xiàn)出仿生材料大規(guī)模制造的巨大潛力。

參考資料：https://doi.org/10.1002/adfm.202419464