卡內(nèi)基梅隆大學(xué)使用3D打印技術(shù),，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(nèi)基梅隆大學(xué)(CMU)和康涅狄格大學(xué)(UConn)使用3D打印技術(shù),，研發(fā)新型磷酸鈣石墨烯(CaPG)材料,，未來可用于骨再生應(yīng)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(jiǎn)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(dǎo)性,、生物安全性、長(zhǎng)保質(zhì)期和合理的價(jià)格等,。

△仿生3D打印的CaPG矩陣設(shè)計(jì),。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(zhì)特性,、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及極高的機(jī)械強(qiáng)度，自發(fā)現(xiàn)以來已成為生物醫(yī)學(xué),、能源生產(chǎn)和微電子領(lǐng)域應(yīng)用的理想材料,。

獲取石墨烯材料難點(diǎn)是剝離出單層結(jié)構(gòu)，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(duì)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(jié)合,。例如,，弗吉尼亞理工大學(xué)和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(xué)Cruz合作生產(chǎn)用于儲(chǔ)能設(shè)備的石墨烯氣凝膠等等,。

△3DP-CaPG基質(zhì)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(qiáng)所得基質(zhì)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(dǎo)性,，并且大多數(shù)基質(zhì)都沒有在體內(nèi)進(jìn)行研究。

過去,，人們?cè)谔剿魅绾沃圃斐鲆环N合成基質(zhì),，具有優(yōu)秀的骨誘導(dǎo)特性，同時(shí)還具有生物安全性,、保質(zhì)期長(zhǎng)且生產(chǎn)成本效益高,。其中，含有石墨烯的材料因其優(yōu)異的化學(xué),、機(jī)械和生物學(xué)特性而受到廣泛關(guān)注,。

含石墨烯的材料可以促進(jìn)細(xì)胞的粘附和生長(zhǎng)，一些證據(jù)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(dú)的氧化石墨烯缺乏在損傷部位啟動(dòng)天然骨再生能力,。此外,，該團(tuán)隊(duì)還觀察到，雖然氧化石墨烯薄片具有出色的機(jī)械性能,，但它的大塊結(jié)構(gòu)缺乏為再生骨骼提供穩(wěn)定的機(jī)械性能,。

因此，他們成功地創(chuàng)建了一個(gè)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(jìn)干細(xì)胞分化為骨細(xì)胞）,。

△小鼠顱骨缺損模型中基質(zhì)的生物相容性,。圖片來自自然

骨再生技術(shù)的進(jìn)步
該團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)的CaPG材料,，其中墨水中石墨的含量“非常高”（約 90%）,。這使得細(xì)胞能夠進(jìn)入骨傳導(dǎo)主干，并控制鈣和磷酸鹽離子的釋放，這意味著宿主對(duì)基質(zhì)的反應(yīng)主要依靠石墨烯的含量,，而不是生物惰性粘結(jié)劑,。

該團(tuán)隊(duì)可以輕松地打印具有特定幾何形狀的構(gòu)矩陣，用于細(xì)胞和動(dòng)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(jié)合,，為骨再生工程提供了可定制的新技術(shù)。

△3DP-CaPG基質(zhì)的生物降解和生物分布,。圖片來自自然

有關(guān)該研究的更多信息,，請(qǐng)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(dǎo)基質(zhì)，支持體內(nèi)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(diǎn)我傳送門）,。

對(duì)于體內(nèi)試驗(yàn)，CaPG與骨髓基質(zhì)細(xì)胞(BMSCs)結(jié)合,，以促進(jìn)小鼠皮下空間內(nèi)骨骼的形成,。發(fā)現(xiàn)CaPG基質(zhì)能夠在體內(nèi)進(jìn)行再吸收和生物降解，該團(tuán)隊(duì)稱這對(duì)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(dǎo)基質(zhì),。

此外，該團(tuán)隊(duì)在研究期間觀察到?jīng)]有對(duì)重要器官造成有害影響,。展望未來,，研究人員將進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)，增強(qiáng)3D打印CaPG基質(zhì)的機(jī)械性能,，并測(cè)試其在體內(nèi)的長(zhǎng)期安全性,。