美國密歇根州立大學：3D打印不透射線復合支架

來源： EngineeringForLife

可植入的生物醫(yī)學組織工程支架（TES）在臨床中的使用正迅速增長,。通常，TES被設計用于在再生醫(yī)學中執(zhí)行關鍵功能,，包括提供機械支持,、輸送治療分子和創(chuàng)建保護屏障。目前,，已在臨床上批準用于這些目的的TES包括可降解聚合物疝氣修補片和半月板替代品等設備,。隨著TES在臨床上得到認可，當前趨勢是將這些工具用于個性化醫(yī)學,。這在骨科設備方面得到了最成功的證明,，這些設備可以根據(jù)需要進行3D打印，通�,？梢栽谥委燑c進行,，用于修復創(chuàng)傷后的骨結構。主要使用聚己內酯（PCL）作為骨科TES的材料,，因為它具有生物相容性,、機械強度高以及中等降解速率（3-4年）。在3D打印個性化TES的臨床前研究中,，通常使用熔融絲制造（FFF）進行設備生產,，因為FFF具有易于獲取、低成本且可以用于PCL的3D打印,。然而,，盡管PCL與FFF打印兼容，但文獻中提供的打印參數(shù)有限,，不足以充分考慮模型的幾何特征,。

來自美國密歇根州立大學的Erik M. Shapiro團隊開發(fā)并應用了一種放射性不透明的氧化鉍（Bi2O3）摻雜聚己內酯（PCL）復合材料，以實現(xiàn)使用診斷性X射線技術,，特別是光子計數(shù)X射線計算機斷層掃描（SPCCT）對全面的組織工程支架（TES）進行監(jiān)測,。首先制備具有均勻分散的Bi2O3納米顆粒（0.8至11.7 wt%）的PCL絲。然后使用復合絲進行3D打印TES,，并優(yōu)化打印參數(shù)以適應小特征和嚴重懸挑幾何形狀,。通過微型計算機斷層掃描（µCT）、拉伸測試和細胞相容性研究對這些復合TES進行表征,，其中2 wt%的Bi2O3納米顆粒提供了改善的拉伸性能,，與純PCL相當?shù)募毎�相容性和出色的放射學可區(qū)分性,。通過在小鼠模型中使用µCT對摻雜有4和7 wt%的Bi2O3 PCL TES進行成像，在體內與體外測量結果顯示出良好的一致性,，從而驗證了放射學性能,。隨后，使用復合絲進行3D打印CT圖像導出的豬半月板,，并在相應的離體豬腿中重新植入,。通過臨床CT對離體豬腿進行再成像，可以輕松確定設備位置和對齊,。最后,，SPCCT這一新興技術通過顏色K邊成像明確地在體內區(qū)分植入的半月板。相關工作以題為“Device Design and Advanced Computed Tomography of 3D Printed Radiopaque Composite Scaffolds and Meniscus”的文章發(fā)表在2024年05月17日的國際著名期刊《Advanced Functional Materials》,。

1.創(chuàng)新型研究內容
本研究將個性化TES與先進的臨床監(jiān)測概念相結合,，采用SPCCT實現(xiàn)設備成像辨識和監(jiān)測的突破。為了實現(xiàn)這一目標,，將Bi2O3納米顆粒與PCL混合,，并擠出成絲材料用于FFF，從而實現(xiàn)高度放射性不透明的TES的制造,。低Bi2O3納米顆粒質量分數(shù)的3D打印支架具有良好的生物相容性,，臨床尺寸的設備在成像上表現(xiàn)出優(yōu)異的放射性，其對比噪聲比能夠使其在原位與周圍組織明顯區(qū)分開來,。為了說明在植入后監(jiān)測個性化TES的最終目標,，本文借鑒了最近關于制造基于PCL的半月板的工作，以及商業(yè)上可獲得的PCL半月板替代品的情況,。首先,，通過豬腿的CT掃描得出真實半月板的3D模型，使用4 wt%的Bi2O3絲材料3D打印出放射性類似的半月板TES,。在膝關節(jié)植入后,，CT成像可以精確區(qū)分半月板的位置。對豬腿進行SPCCT成像進一步增強了分割,，并實現(xiàn)了含鉍體素的區(qū)分,。

【均勻的放射性不透明絲材料】
原位和體內監(jiān)測要求TES在整個結構中具有均勻的放射性不透明性，確保觀察到的任何可檢測到的結構變化都是設備的物理變化結果,。為創(chuàng)建用于3D打印的放射性不透明絲材料,，將Bi2O3納米顆粒（216±37 nm，圖1b,、c）與Facilan PCL 100絲材料按名義質量分數(shù)0.5-15wt%（圖1a）混合,。電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）顯示，制備的絲材料中Bi2O3的實際含量為0.2至11.7wt%。這種輕微偏差與其他研究中觀察到的情況相似,，可能是由于混合過程造成的,。通過掃描電子顯微鏡的背散射成像驗證了制備的絲材料中納米顆粒的均勻性。由于Bi2O3納米顆粒的質量分數(shù)與X射線衰減呈線性相關關系,，制備均勻的絲材料直接影響TES的放射性不透明性以及植入后的監(jiān)測,。在將絲材料用于3D打印之前，必須驗證納米顆粒在絲材料中的分布情況,。在圖1d中可以看到，最初的絲材料在橫截面上具有不均勻的納米顆粒分布,。當形成了這種殼層結構的絲材料（圖1a.4）后,，在隨后的打印過程中仍然保持不變。為了消除批次之間的不均勻性,，每個批次的絲材料至少經過最終擠出工藝（圖1a.4）兩次,。

圖1 通過聚己內酯（PCL）和氧化鉍（Bi2O3）納米顆粒（NPs）的復合材料制備了均勻的放射性不透明絲

【優(yōu)化使用PCL進行3D打印TES的過程】
PCL是一種對醫(yī)療器械具有許多理想特性的生物相容性聚合物。雖然它適用于FFF打印,，但文獻中提供的打印參數(shù)有限,。材料性質，如熔點和熱傳導,，是以高分辨率打印TES的重要因素,。PCL不僅由于與其他聚酯相比較低的熔點而難以打印，還必須考慮到添加納米顆粒后熔融特性的變化,。使用PCL絲進行的初始3D打印顯示,，沉積的珠狀物散熱不足導致特征不穩(wěn)定和打印失敗。為了解純PCL和復合絲的熔融和固化特性,，使用差示掃描量熱法（DSC）,。發(fā)現(xiàn)純PCL（0 wt% Bi2O3）的結晶溫度（Tc）為29℃，非常接近室溫（圖2a）,。添加Bi2O3納米顆粒提高了所有復合材料的Tc,，從質量分數(shù)從0.8 wt%增加到11.7 wt%，范圍為33℃至35℃,。相比之下,，復合材料和純PCL的熔融溫度均與已發(fā)表的文獻值60℃一致。

為了解決最不利情況下（最低Tc）的3D打印問題,，本文選擇了純PCL絲進行3D打印優(yōu)化,，并使用標準的Benchy 3D模型進行測試（圖2b-e）。在測試過程中,，鑒于珠狀物的長時間固化,，確定了兩種非常難以進行3D打印的情況：不受支撐的懸挑部分（<55°與水平面夾角），以及打印時間較短的層（<60秒）。噴嘴直徑和溫度在所有情況下保持不變,，而打印移動的速度,、環(huán)境溫度和使用支撐物對其他情況的成功至關重要。針對特定噴嘴溫度的打印移動速度優(yōu)化取自Ortega等人的研究結果,。此外,，在冷房間（環(huán)境溫度為4℃）中進行打印時，增加床溫可以提高零件與打印床的粘附性,。進一步增加床溫會導致底部打印變形,。

圖2 聚己內酯（PCL）打印的優(yōu)化依賴于熱通量的控制

【放射性透明的TES的抗拉性能】
本文采用機械測試方法來研究Bi2O3質量百分比對打印的TES的抗拉性能的影響。用于評估打印后TES性能的參考抗拉樣品如圖3c（測試前）和d（測試后）所示,�,？估瓨悠返脑O計代表具有40%直線填充的TES結構�,？估瓨悠吠ǔＴ趭A持處附近破壞,，盡管有些樣品在中心附近破壞（圖3d）。統(tǒng)計學上顯著增加了表觀屈服應力和表觀彈性模量對于低質量百分比復合材料（≤2 wt%）,。性能的最大增加出現(xiàn)在0.8 wt% Bi2O3（表觀屈服應力=961±28 kPa,，表觀彈性模量=1.86±0.005 kPa），分別比純PCL增加了32%和55%（圖3a）,。與純PCL相比,，任何復合材料都沒有改變屈服應變。

圖3 添加放射性不透明的氧化鉍（Bi2O3）納米顆粒和熔融加工會影響聚己內酯（PCL）絲的拉伸性能

【放射性透明復合材料的生物相容性】
本文通過進行為期7天的研究評估了Bi2O3組成對成纖維細胞的附著,、生長和代謝活性的初始影響（圖4）,。當3T3成纖維細胞在3D打印支架上（0-11.7 wt%）培養(yǎng)7天時，細胞在所有基質上都有增殖,。初始細胞附著在0 wt% Bi2O3時最低（16.8±13%）,，在0.8 wt%時最高（54.1±23%）。初始細胞種植的高偏差可能是由于將細胞種植到高多孔性的3D結構上的困難所致,。在第7天,，細胞數(shù)量在不同NP組成方面沒有顯著變化。純PCL（0 wt%）顯示了最大的細胞增殖,，可能是由于初始細胞種植量較低,。代謝活性的結果類似，隨著細胞增殖,，從第1天到第7天有顯著增加,。盡管在早期時間點，2 wt%和6 wt%的復合材料的代謝活性較純PCL降低,，但隨著Bi2O3質量百分比的增加,，并沒有明顯的代謝減少趨勢,。總體而言,，這些結果表明,，在最大測試的11.7 wt% Bi2O3負載下，對早期細胞增殖幾乎沒有影響,。

圖4 在培養(yǎng)過程中,， Bi2O3納米顆粒和PCL的復合材料在7天內表現(xiàn)出了優(yōu)異的生物相容性

【放射性透明復合材料的X射線衰減性能】
確定最佳Bi2O3含量范圍的第三個條件是能夠監(jiān)測復合材料的X射線透射性能。為此,，通過在模擬組織的水環(huán)境中使用微CT成像來量化絲材的X射線強度,，本文表征了Bi2O3質量分數(shù)與放射性的關系。發(fā)現(xiàn)增加Bi2O3與信號強度呈直接比例關系,，比例為269 HU/wt%（圖5a）,。這比Arnold等人的研究發(fā)現(xiàn)更高，他們報告了3D打印結構的放射性隨Bi2O3質量分數(shù)增加的比例為196 HU/wt%,。然而，Arnold等人使用的掃描能量為120 keV,，而本研究使用的是90 keV能量,，這是臨床前體內CT的標準掃描能量。隨著X射線掃描能量的增加,，材料的X射線衰減通常會減小,，除非在材料特定的衰減峰值（稱為K邊）附近。Bismuth的K邊緣能量為91 keV,，掃描能量接近這個峰值可以解釋本研究中報告的較高衰減率,。

為了驗證在體外計算得出的衰減與體內研究的相關性，將含有4.2和7 wt% Bi2O3納米顆粒的TES植入到小鼠模型中進行離體成像（圖5c-e）,。TES與周圍的肌肉和軟組織明顯區(qū)分開來,，并且其信號范圍與小鼠骨骼相同。為了使體外和體內掃描之間能夠進行比較,，將放射性透明復合材料的信號轉換為對比噪聲比（CNR）,。將原始信號轉換為CNR是有用的，因為它考慮了周圍組織的信號以及TES的信號,。

圖5 使用µCT,，在體外水環(huán)境和離體小鼠模型中測量了絲材料的放射性

【具有SPCCT放射性透明TES的臨床潛力】
基于與人類半月板相似的尺度，本文選擇了離體豬半月板進行演示,。為了制作半月板TES,，將死后的豬腿進行臨床CT掃描。提取了內側半月板,，并將其轉換為“特定患者”的STL模型,。圖6a，b顯示了一個這樣的豬腿模型和相應的半月板重建。然后,，通過手術提取半月板,，準備將3D打印的半月板植入到豬腿中。兩個半月板經過3D打印后重新植入到它們原本衍生的腿部,。一個半月板被以良好的對齊方式植入,，另一個則以錯誤的方向植入。圖6d和e展示了通過臨床CT輕松識別復合TES以及相應的對齊/錯位情況,。在臨床中,，對半月板再撕裂或植入物失效的不良事件很難進行診斷。使用MRI進行診斷很困難,，通常結果不確定,，因為瘢痕組織和更高的血管化導致了高強度的T1和T2信號變化，因此需要侵入性手術技術,。本文展示了如何利用放射性透明植入物的非侵入性CT進行增強診斷,。

圖6 在離體豬模型中展示了利用放射性不透明的組織工程支架（PCL + 4wt% Bi2O3）進行個性化醫(yī)學的潛力

2.總結與展望
朝著個性化醫(yī)學領域的點對點制造生物醫(yī)學植入物的發(fā)展趨勢是3D打印生物醫(yī)學器件的關鍵推動力。理想情況下,，這些器件還應具備通過臨床成像模式（如CT）進行現(xiàn)場監(jiān)測的能力,。本文通過制備和3D打印放射性不透明的PCL絲材料并摻入Bi2O3納米顆粒，向實現(xiàn)這一目標邁出了重要的一步,。在這個過程中,，還提出了一種針對PCL和復合材料低重結晶溫度的PCL TES（組織工程支架）的FFF 3D打印優(yōu)化方法。所有的納米顆粒復合材料具有良好的力學性能和生物相容性,。通過微型計算機斷層掃描（µCT）成像顯示,，每增加1 wt%的Bi2O3， CNR增加4.1,。在超過2.2 wt%的Bi2O3含量下,，復合材料在放射學上能夠與軟組織區(qū)分開來，其CNR值與小鼠骨骼范圍相當,。

此外,，放射性不透明的3D打印TES在離體骨科應用中展示了臨床潛力。用放射性不透明的復合材料3D打印出具有解剖準確性的豬半月板,，一旦植入,，可以輕松識別設備對齊，而納米顆粒的質量分數(shù)較低（4 wt%的Bi2O3）,。這些復合TES不僅可以通過傳統(tǒng)CT進行區(qū)分,，而且還非常適合通過顏色K邊緣成像的新興臨床成像模式SPCCT。通過SPCCT成像后,，根據(jù)鉍的獨特X射線衰減特性,，可以將放射性不透明的TES從生物結構中分割出來,。所有這些結果表明,，在3D打印的復合TES中,，以低質量分數(shù)（1至5.5 wt%）使用Bi2O3納米顆粒作為放射性添加劑具有出色的性能,，可用于縱向監(jiān)測臨床前和臨床設備,。

文章來源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202404860