科英布拉大學(xué):研究用于3D打印軟骨的FOMM材料

2022年3月,，南極熊獲悉，University of Coimbra（科英布拉大學(xué)）的研究人員發(fā)布了一項新研究,，探索在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中能夠3D打印軟骨的不同聚合物的潛力,。探索利用熔絲制造(FFF)技術(shù)加工的聚合物材料用于軟骨全置換的可能性。

軟骨損傷可能由疾病,、創(chuàng)傷和退行性疾�,。ㄈ绻顷P(guān)節(jié)炎）引起，骨關(guān)節(jié)炎是關(guān)節(jié)疼痛和活動受限的主要原因之一,。組織工程是軟骨修復(fù)全關(guān)節(jié)置換的替代方法,，3D打印正越來越多地用于此領(lǐng)域的多個研究項目。

研究回顧

Chalmers University of Technology（查爾姆斯理工大學(xué)）的科學(xué)家此前已經(jīng)證明了軟骨組織工程可以使用3D生物打印治療骨關(guān)節(jié)炎,，而Central QueenslandUniversity（中央昆士蘭大學(xué)）的微生物學(xué)家則將鱷魚蛋白和3D生物打印結(jié)合起來,，試圖修復(fù)關(guān)節(jié)損傷。University of Alberta（阿爾伯塔大學(xué)）的一個團(tuán)隊為面部畸形的癌癥患者找到了一種3D生物打印定制鼻軟骨的方法,，而Swansea University（斯旺西大學(xué)）已經(jīng)開始將3D打印用于無疤痕耳鼻移植的軟骨組織支架,。

△阿爾伯塔大學(xué)科學(xué)家制作的3D生物打印鼻形組織植入物的3D模型。圖片來自FASEB期刊,。

3D打印軟骨的常用方法和瓶頸

通常,，最常見的軟骨置換和修復(fù)方法是全置換，通常使用鈷鉻(CoCr)或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)結(jié)構(gòu),，或通過支架植入,。然而，盡管CoCr被認(rèn)為具有生物相容性和不可降解性,，它的剛度也會由于機(jī)械負(fù)載而導(dǎo)致骨骼的機(jī)械屏蔽,。同時，雖然UHMWPE呈現(xiàn)出與天然軟骨相似的機(jī)械性能,，但它在負(fù)載下可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,。

對于修復(fù)和再生，生物醫(yī)學(xué)支架是有益的,，因為它們可以提供三維框架使細(xì)胞增殖,，最常用的天然材料是膠原蛋白,、瓊脂糖、殼聚糖,、纖維蛋白和藻酸鹽,。目前用于此目的的合成聚合物包括PEG、PLA,、PVA和PU,。

然而，迄今為止,，利用3D打印加工這些材料制得的模型,，都針對特定類型的軟骨和局部植入，這可能會影響未來結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化,。因此,，科英布拉的研究人員決定將研究重點(diǎn)放在FOMM上，用于軟骨修復(fù)的3D打印結(jié)構(gòu),。FOMM由PVA和TPU組成,，這兩種材料之前都已用于與軟骨相關(guān)的應(yīng)用。他們使用PA12作為控制材料,，因為它在低溫下仍具有高抗沖擊性,、低吸水性、抗應(yīng)力開裂性和高頻循環(huán)載荷條件下的抗疲勞特性,。

研究新聚合物

在本研究中,，科英布拉大學(xué)的研究人員探索適合生產(chǎn)3D打印軟骨組織的新聚合物，這些聚合物有可能用作全軟骨替代品.該團(tuán)隊研究了PA12的特性（已用于3D生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域）,，以及一種新的細(xì)絲LAY-FOMM 60（用于3D打印能夠促進(jìn)軟骨修復(fù)的結(jié)構(gòu)）,。據(jù)研究人員稱，這是首次針對這一特定應(yīng)用提出此類材料的研究,。

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的文獻(xiàn)中沒有對Fomm材料進(jìn)行性能介紹或研究,。因此，為了更好地理解這種新型聚合物的結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用關(guān)系,，研究人員對長絲的化學(xué)性能,、熱性能、溶脹性,、力學(xué)性能、打印樣品進(jìn)行了全面的表征和測試,。并將這些性能與天然軟骨進(jìn)行了比較,。

△用于彎曲測試的FOMM打印試樣的宏觀照片。圖片來自MDPI聚合物,。

△FOMM細(xì)絲拉伸試驗的代表性宏觀圖,。圖片來自MDPI聚合物,。

△膨脹能力測試結(jié)果

研究人員發(fā)現(xiàn)PA12表現(xiàn)出低膨脹能力，而FOMM在其干燥和濕潤形式中都表現(xiàn)出更高的膨脹能力,，并且更接近天然軟骨的膨脹能力,。研究人員還觀察到，兩種聚合物的機(jī)械性能都高于天然軟骨,。

△顯微硬度測試結(jié)果

在進(jìn)行超顯微硬度測試時,，F(xiàn)OMM的機(jī)械性能表明該材料是老年患者軟骨置換的良好替代品。研究人員聲稱,，他們的研究發(fā)現(xiàn)了在FOMM中設(shè)計具有PA12核心和外殼的多材料結(jié)構(gòu)的新研究途徑,，未來的工作包括制備這種多材料結(jié)構(gòu)及其體外表征。

原文鏈接：https://doi.org/10.3390/polym14051044