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灵感源于莲藕 我国研发新型3D打印生物陶瓷支架

2017-11-14 11:47:09 | 来源:智能制造网 | 编辑:张梦菲
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  日前,近日,中国科学院上海硅酸盐研究所在3D打印复杂结构生物陶瓷用于血管化大块骨缺损修复方面取得新进展。该研究团队受到自然界中莲藕内部平行多通道结构的启发,采用3D打印制备出仿生莲藕支架。

  临床上,大块骨缺损的修复是人类面临的挑战之一,3D打印技术可以便捷的制备形状可控的多孔支架材料,广泛应用于生物材料和骨组织工程领域。传统3D打印支架具有多孔的结构,将材料植入缺损部位后,营养物质和细胞沿着孔向内渗入支架内部,有利于骨组织向内长入,促进骨缺损的修复。

  然而,传统3D打印支架在大块骨缺损方面仍显不足。传统3D打印支架由实心的基元堆叠而成,降低了材料的孔隙率;传统3D打印支架的孔隙呈阶梯三维延伸状,并没有形成平直的孔道状,在流体力学上有较强的流体阻力,不利于营养物质和细胞渗入支架内部,阻碍了修复过程中的成血管和成骨。

  近日,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员吴成铁与常江带领的研究团队,在3D打印复杂结构生物陶瓷用于血管化大块骨缺损修复方面取得新进展。该研究团队受到自然界中莲藕内部平行多通道结构的启发,采用3D打印制备出仿生莲藕支架,并与上海交通大学附属第九人民医院蒋欣泉团队合作,进一步发现该类支架相对于传统3D打印支架,具有显着提高大块骨缺损的修复的能力。相关研究成果发表在Advanced Science上,并申请专利一项。

  该研究团队把传统3D打印支架每个基元的内部做成平行多通道结构,这种结构有望促进新血管和骨组织的长入,有利于骨缺损的修复,并重新设计了内部共轴镶嵌的挤压式3D打印针头,通过改进的3D打印制备方法,实现一次性打印仿生莲藕支架,改进的3D打印方法能够调控仿生莲藕支架的物理和化学性质。

  采用该方法不仅可以用各种生物陶瓷(Akermanite, Al2O3, ZrO2)、金属Fe和高分子海藻酸钠等多种材料制备出仿生莲藕支架,而且能制备出不同形状、孔道数目、孔道直径的仿生莲藕支架。此外,通过调控3D支架的基元堆砌方式和孔道数目,来调控该仿生莲藕支架的孔隙率和力学强度。该仿生莲藕支架的最高孔隙率达到80%,力学强度可达40MPa以上,能满足骨缺损修复材料的要求。

  研究团队进一步通过选择生物活性良好的镁黄长石(Akermanite)陶瓷作为基体代表材料,来探究这种仿生莲藕材料在骨组织再生工程中的性能和应用,分别制备了具有单孔道、双孔道、三孔道和四孔道的仿生莲藕生物陶瓷支架。体外生物学分析结果表明,与传统3D支架相比,该仿生莲藕镁黄长石生物陶瓷支架更有利于细胞的粘附和增殖,并随着通道数目的增加,其效果越明显增加。

  体内动物实验表明,该仿生莲藕生物支架提高了骨组织再生能力和成血管化效应,有利于骨缺损的修复。与传统的3D生物活性支架相比,该3D打印仿生莲藕生物支架更有利于营养物质向支架内部的传输,引导细胞和组织向内长入,从而促进前期的成血管以及后期的成骨,提高了骨缺损的修复性能。由于其多通道高孔隙率的结构特点,该种材料还可以用于药物大分子装载、表面功能化修饰以及催化、能源、环境等其他领域。

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