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《Materials & Design》:3D打印高强度抗肿瘤的掺镁硅灰石/纳米羟基磷灰石生物陶瓷支架

《Materials & Design》:3D打印高强度抗肿瘤的掺镁硅灰石/纳米羟基磷灰石生物陶瓷支架

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2023-02-13 17:58
  • 访问量:

【概要描述】

《Materials & Design》:3D打印高强度抗肿瘤的掺镁硅灰石/纳米羟基磷灰石生物陶瓷支架

【概要描述】

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2022年12月6日,杭州电子科技大学科研团队联合多家单位在《Materials & Design》上发表题为3D-printed magnesium-doped wollastonite/nano-hydroxyapatite bioceramic scaffolds with high strength and anti-tumor property 的研究论文,开发了一种新型生物活性支架,以互连的多孔掺镁硅灰石(CSi-Mg)支架为结构,纳米羟基磷灰石(n-HA)为表面,制备了复合生物陶瓷支架。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111464

  研究简介  

肿瘤切除后,肿瘤细胞的清除和骨缺损的填补仍然是一个重大的挑战。结合3D打印技术,以互连的多孔掺镁硅灰石(CSi-Mg)支架为结构,纳米羟基磷灰石(n-HA)为表面,制备了复合生物陶瓷支架。研究了制备工艺对复合支架n-HA层厚度、降解性能、生物性能和抗肿瘤性能的影响。n-HA表面层能有效延缓CSi-Mg支架在模拟体液中浸泡3周后的降解速率,并保持较高的机械强度(超过90 MPa)。同时,CSi-Mg/n-HA3支架诱导体外人骨肉瘤细胞(MG-63)约50%的细胞死亡。CSi-Mg/n-HAx (x=1,3)支架可改善大鼠骨髓间充质干细胞的成骨性能。上述结果表明,生物陶瓷复合支架具有较高的强度、良好的成骨性能和抗肿瘤性能,在骨肉瘤切除术后组织损伤的治疗中具有广阔的应用前景。

图1 本研究的简要说明。

研究内容解读

填充骨支架是治疗骨缺损最有效的方法之一。骨再生是一个复杂的过程,需要综合考虑分子、生化、机械和细胞方面的因素。理想的骨支架不仅应具有适当的力学性能、生物活性、降解性和血管生成,还应具有杀死肿瘤细胞或抑制肿瘤细胞生长的功能。在骨组织修复领域,硅酸钙(CSi)生物陶瓷因其优异的骨导电性、生物活性和降解性而受到广泛关注。
在合成过程中加入镁可以有效地改善硅酸钙陶瓷的力学性能。化学共沉淀法是将不同物质混合在溶液中,反应产生沉淀物,沉淀物干燥后形成相应粉末颗粒的材料制造方法。该材料可混合均匀,且材料化学成分单一。具有工艺简单,产品性能好等优点,常用于制备无机材料。有人指出,掺镁硅灰石(CSi-Mg)生物陶瓷材料具有较高的力学性能和生物活性,在修复骨缺损方面具有广阔的前景。
增材制造技术能够制造具有复杂形状、内部孔隙和可控孔隙率的骨填充支架。相互连接的大孔对于为细胞活动、养分运输和细胞-细胞相互作用提供足够的空间来说是必不可少的。挤出3D打印是一种增材制造方法,将有机粘结剂和生物活性陶瓷制成的生物陶瓷墨水逐层堆叠,形成固定的三维多孔结构,孔隙相互连接。3d打印的CSi-Mg支架可促进兔下颌骨和颅骨骨缺损的新骨形成。硅、镁离子的降解有利于成骨。虽然CSi-Mg支架具有其他生物活性材料无法比拟的优势,但其降解速度略快,与新骨生长过程中的骨组织再生不匹配,限制了其在骨修复领域的应用。
本研究采用化学共沉淀法合成了CSi-Mg粉体,并采用3D打印技术制备了CSi-Mg支架,假设n-HA面层可以控制CSi-Mg基多孔陶瓷的降解速率。分析了制造工艺参数对3D打印CSi-Mg /n-HA复合支架降解性能、力学性能和生物学性能的影响,并探讨了复合支架的抗肿瘤效果和成骨性能。
最终,开发了一种新型生物活性支架,以互连的多孔掺镁硅灰石(CSi-Mg)支架为结构,纳米羟基磷灰石(n-HA)为表面,制备了复合生物陶瓷支架。纳米羟基磷灰石涂层能有效减缓CSi-Mg支架的降解。体外SBF浸泡实验表明,复合支架具有良好的力学保留率,3周后CSi-Mg/n-HA3支架仍具有较高的抗压强度(大于90 MPa)。CSi-Mg/n-HA3支架体外诱导人骨肉瘤(MG-63)细胞死亡约50%,表明复合支架具有良好的抗肿瘤作用。此外,我们利用大鼠BMSC研究了支架对支架成骨性能的影响,结果表明,表面改性的支架对支架的成骨性能有很好的影响。研究人员认为该方法为开发高强度抗肿瘤生物陶瓷支架提供了一种有前途的策略,是一种有前途的治疗骨肉瘤切除术后组织损伤的临床工具。

图2 粉体和支架的表征。

图3 在SBF (pH 7.4)中进行降解试验3周。

图4 SBF浸泡1-3周后支架表面的SEM图像。

图5 MG63在3种支架中培养3天的SEM图像

——END——

羟基磷灰石因具有较好的生物活性和生物相容性,被认为是人体骨损伤时性能优良且近乎理想的骨修复及替代材料。奇遇科技团队所研发的3D打印机可打印羟基磷灰石材料,制备具有优异性能的骨支架,其3D打印的速度与成功率远超市面上绝大多数3D打印机,已与多家顶尖科研院所开展长期合作。

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