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深度解析:3D打印骨組織工程支架研究

魔猴君  行業(yè)資訊   2080天前

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眾所周知,人體沒有辦法完全愈合大規(guī)模的骨缺損,并且在大多數(shù)情況下,需要外部手術(shù)干預(yù)來恢復(fù)正常。目前臨床上的常用的骨移植物材料有以下幾種:自體骨,即材料取之于病人本人身體,是最理想的修復(fù)物,卻存在二次傷害,多術(shù)區(qū)及供區(qū)并發(fā)癥、來源不足等問題;異體骨,多來自尸體捐獻(xiàn)或是動(dòng)物,存在免疫反應(yīng)、潛在感染風(fēng)險(xiǎn)及倫理道德的問題。

深度解析:3D打印骨組織工程支架研究

圖1:不同后續(xù)工藝工藝及不同組分的3D打印人工骨支架的力學(xué)性能及生物性能

在此背景下,3D打印人工骨支架成為了相關(guān)科研工作者的研究熱點(diǎn)。由于此項(xiàng)技術(shù)能夠直接制造具有設(shè)計(jì)形狀,受控化學(xué)性質(zhì)和互連孔隙的多孔支架,已然成為制造骨修復(fù)材料的不二選擇。本文將結(jié)合發(fā)表于Materials Today的一篇綜述性文章《Bone tissue engineering using 3D printing》,介紹3D打印人工骨支架的最新進(jìn)展、當(dāng)前的挑戰(zhàn)以及未來發(fā)展方向。 

綜述首先給出了相關(guān)背景介紹。人體的骨組織由兩種不同結(jié)構(gòu)組成:松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨。松質(zhì)骨為海綿狀,具有50~90%的孔隙率。皮質(zhì)骨是致密的骨外層,孔隙率低于10%。對于骨組織的連續(xù)向內(nèi)生長,相互連通的孔隙是非常重要的,以允許營養(yǎng)物和分子運(yùn)輸?shù)街Ъ艿膬?nèi)部,促進(jìn)細(xì)胞向內(nèi)生長,血管化以及廢物去除。目前,多孔骨支架可以通過多種方法制造,例如化學(xué)/氣體發(fā)泡,溶劑澆鑄,顆粒/鹽浸,冷凍干燥等。然而這些方法,不能控制孔徑,形狀及其互連性。而使用3D打印方法設(shè)計(jì)和制造這種支架,可有效解決上述問題。 文中隨后總結(jié)出:多孔支架的強(qiáng)度及降解性能受孔徑,幾何形狀和支撐方向相對于加載方向的影響很大;其次,材料表面特性如表面電荷和形貌也會影響材料親水性,進(jìn)而影響骨組織向內(nèi)生長。

文章接著指出:低機(jī)械強(qiáng)度是多孔支架中的主要挑戰(zhàn),而優(yōu)化的后續(xù)工藝方法和成分修改可以改進(jìn)人工骨支架的力學(xué)性能。

深度解析:3D打印骨組織工程支架研究

圖2:3D打印顱部結(jié)構(gòu)及植入物結(jié)構(gòu)示例
使用3D打印支架進(jìn)行生長因子和藥物遞送也是一大研究熱點(diǎn)。這種方法不僅相對于全身遞送所需劑量減少,副作用大大減輕,還可控制藥物的釋放模式。文中總結(jié)出:支架孔徑大小,連通性和幾何形狀是控制藥物負(fù)載以及體內(nèi)釋放速率的有效參數(shù)。 文中著重介紹了3d打印人工骨技術(shù)現(xiàn)階段的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向,一針見血地指出來自粘結(jié)劑的殘余物在燒結(jié)過程中可能難以去除。能否得到更高的精度和分辨率,制造更小的孔徑,取決于粉末特性和構(gòu)建參數(shù)。并且3D打印人工骨始終需要后續(xù)工藝,如在高溫下燒結(jié)或致密化。燒結(jié)過程中,整體收縮具有不均勻性,會導(dǎo)致部件大量開裂并使其沒有辦法使用。由于這一缺陷,使用3D打印真正模擬出前述松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨共存的結(jié)構(gòu)非常困難。另一個(gè)后續(xù)工藝挑戰(zhàn)是從部件內(nèi)的互連孔隙中去除松散的粉末,孔內(nèi)的殘留粉末可能與多孔部分燒結(jié),使其與設(shè)計(jì)部分的相互連接較少,并進(jìn)一步減小燒結(jié)后孔的尺寸。

深度解析:3D打印骨組織工程支架研究

圖3: 基于3D打印人工骨支架的藥物釋放研究
由于能夠針對病人特定缺陷和特定臨床需求進(jìn)行訂制,因此未來這一領(lǐng)域?qū)?D打印技術(shù)的需求將不斷增加。針對人工骨3D打印,需要注意的最關(guān)鍵問題是多孔支架的機(jī)械性能。然而增加孔隙率將降低支架的強(qiáng)度,但使用可降解的聚合物滲透以增強(qiáng)這些支架的強(qiáng)度和韌性是解決該問題的一種方法。其次,印刷活細(xì)胞或添加生長因子/藥物治療將是另一個(gè)頗具前景的研究方向。文中最后指出,雖然目前的技術(shù)讓我們建立了與組織相似的結(jié)構(gòu),但我們距離完全打印功能組織還有很長的路要走。在該方向上需要更多的過程-性質(zhì)優(yōu)化,體外和體內(nèi)研究、以繼續(xù)推動(dòng)骨組織工程的發(fā)展。

來源:中國3D打印網(wǎng)

文章來源:(南極熊)
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