上海大學(xué)提出非溶劑輔助3D打印制造仿生骨新策略

來源：EngineeringForLife

骨組織由羥基磷灰石與膠原纖維結(jié)合而成,。其中膠原纖維成束存在,，直徑0.5~20微米,，有分支并交織成網(wǎng),。成纖維細(xì)胞于細(xì)胞外聚合為膠原原纖維（collagen fibril）,，直徑20～200微米,，再經(jīng)少量黏合質(zhì)黏結(jié)成膠原纖維,。通過先進(jìn)增材制造技術(shù)制造具有仿生結(jié)構(gòu)的人工骨受到了科研人員的關(guān)注。通常做法是先通過靜電紡絲等技術(shù)制備纖維,，再與墨水復(fù)合用于3D打印制造仿生骨,。但由于3D打印對墨水的嚴(yán)苛要求，纖維添加過多或會顯著影響墨水流變特性,，從而導(dǎo)致打印失敗,。

上海大學(xué)尹靜波、張坤璽教授聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)附屬閔行區(qū)中心醫(yī)院,、同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院基于聚（L-谷氨酸芐酯）（PBLG）在成螺溶劑中的自組裝特性,，提出一種非溶劑輔助3D打印方法，在實現(xiàn)PBLG基復(fù)合材料3D打印的同時一步法生成仿生纖維結(jié)構(gòu),，以模擬天然骨組織中膠原纖維束的形成,。研究成果發(fā)表在《Advanced Functional Materials》，論文題目為“Biomimetic Fibrous Bone Substitute Manufacture through Non-Solvent-Assisted 3D Printing”,。

Figure 1.Schematic representation of the biomimetic bone manufacturing through 3D printing.

Figure 2. Generation of biomimetic fiber structure.

研究首先說明PBLG在有機(jī)成螺溶劑中可自組裝形成納米原纖維,，然而有機(jī)溶劑去除后無法保持納米纖維結(jié)構(gòu)。非溶劑乙醇引入后,，原纖維會進(jìn)一步生長成為尺寸更大的亞微米級纖維,，且溶劑去除后可保持纖維結(jié)構(gòu)。研究同時揭示醇羥基介導(dǎo)的分子間氫鍵相互作用是PBLG原纖維生長成亞微米纖維的重要影響因素,。這一納米纖維向亞微米纖維的轉(zhuǎn)變可實現(xiàn)對“組織中膠原原纖維經(jīng)少量黏合質(zhì)黏結(jié)成膠原纖維這一特征”的模擬,。

Figure 3. Preparation of PBLG/nHA inks.

Figure 4. Evaluation of the printed biomimetic bone.

進(jìn)一步，研究證實了即使是高濃度PBLG,，非溶劑也可以誘導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)形成,，這為3D打印提供了可行性，因為往往擠出打印需要墨水濃度較高,。在此基礎(chǔ)上,，將PBLG溶液與納米羥基磷灰石nHA復(fù)合制備打印墨水。然而無論是PBLG溶液還是復(fù)合nHA的PBLG溶液都不具備可打印性,。但是如果將乙醇作為接收相,，即在乙醇中擠出，PBLG/nHA復(fù)合體系則具有優(yōu)異的可打印性,，并揭示nHA與PBLG之間的氫鍵相互作用促使溶于1,4-二氧六環(huán)中的PBLG和nHA混合物表現(xiàn)出優(yōu)異的可擠出性,、自支撐性和可塑性。同時為了兼顧可打印性和纖維結(jié)構(gòu)的生成，研究對墨水組分進(jìn)行了優(yōu)化,，實現(xiàn)墨水打印的同時同步生成仿生纖維結(jié)構(gòu),。值得一提的是，纖維生成過程中,，nHA與PBLG通過相互作用結(jié)合,，不僅是對基質(zhì)組成的仿生，也賦予打印材料優(yōu)異的力學(xué)特性（36.59 ± 2 MPa）,。過多nHA無法與PBLG形成相互作用而在材料中形成應(yīng)力集中,，反而負(fù)面影響材料力學(xué)特性，這一結(jié)果可以幫助理解骨組織的結(jié)構(gòu)-性能規(guī)律,。

Figure 5.Omnidirectional 3D printing of the PBLG/nHA inks.

最后,，研究為進(jìn)一步克服層層堆疊打印因重力導(dǎo)致的塌陷缺點以及打印性能與仿生纖維制備的矛盾，制備了乙醇凝膠作為支撐浴,，實現(xiàn)全相打印,，擴(kuò)大打印窗口。纖維結(jié)構(gòu)引起的細(xì)胞遷移效應(yīng)和優(yōu)異的力學(xué)支撐性使其可能成為潛在的骨替代物,。該研究提出的新型非溶劑輔助3D打印制造策略,，突破了針對稀溶液自組裝成纖維的局限性，實現(xiàn)了PBLG基材料的3D打印和仿生纖維結(jié)構(gòu)構(gòu)筑,，展現(xiàn)出仿生材料大規(guī)模制造的巨大潛力,。

參考資料：https://doi.org/10.1002/adfm.202419464