《AM》：無創(chuàng)體內(nèi)3D生物打�,。∮糜诠钦坌迯�(fù)

來源： EFL生物3D打印與生物制造

組織工程支架材料為患者的生理保護(hù)和治療提供了必要的支持,。不幸的是,，這種裝置的植入過程帶來了手術(shù)并發(fā)癥和感染的風(fēng)險(xiǎn)。因此,，來自昆明理工大學(xué)的徐旭輝教授團(tuán)隊(duì)和成都大學(xué)的余雪教授團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一種上轉(zhuǎn)換納米顆粒(UCNPs)輔助的生物3D打印方法,，以實(shí)現(xiàn)無需侵入性手術(shù)的體內(nèi)成型。合理設(shè)計(jì)的UCNPs將穿透皮膚組織的近紅外(NIR)光子轉(zhuǎn)化為藍(lán)紫光(300-500 nm),，在體內(nèi)誘導(dǎo)單體聚合固化過程,，使用熔融沉積建模協(xié)調(diào)框架，精確預(yù)定的近紅外激光軌跡可以制造具有定制形狀的植入式醫(yī)療設(shè)備,，成功實(shí)現(xiàn)了非侵入性骨折固定支架的3D生物打印證明,，從而展示了一種全新的生物醫(yī)學(xué)治療體內(nèi)成型方法。相關(guān)論文“Upconversion 3D Bioprinting for Noninvasive In Vivo Molding”于2024年01月11日發(fā)表于雜志《Advanced Materials》上,。

本文提出了一種基于UCNPS輔助聚合過程的非侵入性3D生物打印骨折固定系統(tǒng),，如圖1所示。采用3D坐標(biāo)定位框架固定近紅外連續(xù)波(CW)激光器,，并通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)3D支架模型來精確控制NIR的移動(dòng)。將含有UCNPs作為生物鏈接的單體溶液在體內(nèi)非侵入性地打印成定制的形狀,。



圖1 非侵入性固定斷骨的UCNPS輔助的3D生物打印體內(nèi)示意圖

本研究中,，設(shè)計(jì)了核殼NaYF4: Tm3+@NaYbF4@NaYF4來調(diào)制藍(lán)紫光發(fā)射，以實(shí)現(xiàn)高效的光聚合,。本研究采用熱注射法逐層合成了一系Tm3+摻雜濃度為5%NaYF4: Tm3+@NaYF4@NaYF4 UCNPs(圖2),。核心材料(NaYF4:Tm3+)的代表性透射電鏡(TEM)圖像顯示單分散的六方顆粒，平均粒徑約為≈65 nm(圖2a),。利用透射電鏡(TEM)和高角度環(huán)形暗場掃描透射電鏡(HAADF-STEM)對合成的核-殼UCNPs的形貌進(jìn)行了進(jìn)一步評價(jià),。TEM圖像顯示，核殼粒子具有均勻分布和單分散性特征,，其中中間的NaYF4(圖2b)和非活性的NaYF4(圖2d)的殼層厚度分別為9.28 nm和13.75 nm,。此外，如圖2c,、e所示的HRTEM圖像中,，NaYF4: Tm3+@ NaYF4和NaYF4: Tm3+@ NaYF4@ NaYF4對應(yīng)的快速傅里葉變換模式進(jìn)一步表明所制備的UCNPs結(jié)晶良好。所得樣品的XRD譜圖及相應(yīng)結(jié)構(gòu)底部的模擬結(jié)果如圖2f所示,。能量色散X射線(EDX)圖譜分析進(jìn)一步證實(shí)了Na,、Y、Yb,、F和Tm的非均相核殼結(jié)構(gòu)和均勻的元素分布(圖2g),。



圖2 合成UCNPs的微觀結(jié)構(gòu)表征

所設(shè)計(jì)的不同核殼結(jié)構(gòu)的UCNP的發(fā)光性能和光固化效果如圖3所示,。圖3a顯示了具有相同Tm3+濃度的相應(yīng)UCNP的光致發(fā)光(PL)光譜。此外,，通過調(diào)節(jié)Yb3+離子敏化劑和Tm3+離子激活劑(圖3b)的濃度,，進(jìn)一步選擇性地優(yōu)化了相應(yīng)UCNP的發(fā)光性能。還研究了UCNPs在光引發(fā)劑吸收范圍內(nèi)的PL性能(圖3d),。UCNP的近紅外誘導(dǎo)光聚合性能如圖3e所示,。測定了不同曝光時(shí)間和近紅外光功率下的光固化比，以評估UCNPs引發(fā)劑的效率,，如圖3f所示,。



圖3 合成的UCNPs樣品的PL表征及光固化的評價(jià)

采用該方法打印斜交骨折(圖4a)、粉碎性骨折(圖4b),、T形骨折和橫向骨折的不同骨折固定支架,。圖4a、b中標(biāo)記為I,、II和III的圖像分別顯示了骨折前,、骨折后和3D骨骼固定骨，標(biāo)記為IV的圖像顯示了相應(yīng)支架的放大視圖,。圖4c顯示了一只實(shí)驗(yàn)大鼠的骨折圖像,。隨后，將生物墨水溶液注射到實(shí)驗(yàn)大鼠的骨折部位(圖4d),。在計(jì)算機(jī)控制下,，近紅外焦點(diǎn)沿著計(jì)劃的路徑移動(dòng)，以塑造生物墨水溶液(圖4e),。支架在體內(nèi)無創(chuàng)固定在骨折處(圖4f),。這表明UCNPS輔助的體內(nèi)非侵入性NIR 3D生物打印技術(shù)具有在原位制備復(fù)雜組織用于器官重建的潛力，且醫(yī)源性損傷最小,。



圖4 UCNPS輔助三維生物打印技術(shù)在骨折內(nèi)固定中的應(yīng)用


總之,，基于UCNPs輔助的近紅外聚合過程，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種使用配位框架的體內(nèi)非侵入性3D生物打印成型方法,。合理設(shè)計(jì)了核殼UCNPs,，在光引發(fā)劑的吸收光譜范圍內(nèi)提供了高效的藍(lán)紫光發(fā)射。利用坐標(biāo)定位框架,，為了使近紅外激光沿預(yù)定的軌跡進(jìn)行精確的運(yùn)動(dòng),，在給定的三維模型的基礎(chǔ)上制造物體。因此,，定制的支架可以從局部骨折部位皮下注射的生物墨水中無創(chuàng)地在體內(nèi)打印出來進(jìn)行骨折修復(fù),，顯示出在臨床或醫(yī)學(xué)研究中的潛在應(yīng)用。


論文：https://doi.org/10.1002/adma.202310617