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、長保質(zhì)期和合理的價格等,。

△仿生3D打印的CaPG矩陣設(shè)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(zhì)特性,、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及極高的機械強度,，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(xué)Cruz合作生產(chǎn)用于儲能設(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)進行研究,。

過去，人們在探索如何制造出一種合成基質(zhì),，具有優(yōu)秀的骨誘導(dǎo)特性,，同時還具有生物安全性、保質(zhì)期長且生產(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細胞的粘附和生長,，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(jié)構(gòu)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(zhì)的生物相容性。圖片來自自然

骨再生技術(shù)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(jié)構(gòu)的CaPG材料,，其中墨水中石墨的含量“非常高”（約 90%）。這使得細胞能夠進入骨傳導(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,。

該團隊可以輕松地打印具有特定幾何形狀的構(gòu)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(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（點我傳送門）,。

對于體內(nèi)試驗，CaPG與骨髓基質(zhì)細胞(BMSCs)結(jié)合,，以促進小鼠皮下空間內(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(dǎo)基質(zhì),。

此外，該團隊在研究期間觀察到?jīng)]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(zhì)的機械性能,，并測試其在體內(nèi)的長期安全性,。