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《Advanced Composites and Hybrid Materials》:生物增强型鲍鱼壳掺杂3D打印骨修复支架

《Advanced Composites and Hybrid Materials》:生物增强型鲍鱼壳掺杂3D打印骨修复支架

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2023-12-21 11:04
  • 访问量:

【概要描述】潜在的低成本高性能骨修复材料,为骨组织工程和再生医学领域带来新的希望,同时也具备改善环境污染的潜力。

《Advanced Composites and Hybrid Materials》:生物增强型鲍鱼壳掺杂3D打印骨修复支架

【概要描述】潜在的低成本高性能骨修复材料,为骨组织工程和再生医学领域带来新的希望,同时也具备改善环境污染的潜力。

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2022年12月16日,山东大学海洋学院陈景帝教授团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》发表题为Biologically enhanced 3D printed micro-nano hybrid scaffolds doped with abalone shell for bone regeneration的研究论文,不仅提供了潜在的低成本高性能骨修复材料,为骨组织工程和再生医学领域带来新的希望,同时也具备改善环境污染的潜力。

原文链接:

https://doi.org/10.1007/s42114-022-00593-1 

 

 

 研究简介 

 

近年来,随着贝类工厂化养殖和加工的快速发展,每年产生大量的贝壳。然而,由于缺乏技术应用,绝大多数贝壳被丢弃,造成资源浪费和环境污染。鲍鱼壳(Aba)具有独特的多层次结构和含有丰富的钙源、有机物质和微量元素,使其具备优异的生物活性和成骨诱导特性。尤其鲍鱼壳颗粒可以作为羟基磷灰石的前体,在复合支架中促进表面矿化,为干细胞和活性因子的迁移提供适宜的微环境。然而,由于颗粒的加入,传统支架的内部微观结构很难精确控制,导致无法与细胞大小完美匹配。为了克服这一问题,本研究利用3D打印技术将鲍鱼壳颗粒与具有良好韧性和加工性的聚己内酯(PCL)等有机材料相结合,形成复合支架,用于骨修复和再生。通过3D打印技术,研究人员可以精确控制支架的内部微结构,提高其与细胞的匹配性,从而增强骨组织再生的效果。这种一体化的鲍鱼壳/PCL复合支架不仅可以充分利用废弃资源,减少环境污染,而且具有良好的生物活性和优异的性能。因此,它为未来骨骼修复材料提供了一种具有潜力的选择,有望在临床应用中发挥重要作用。

 

 

图1 (A)3D打印支架的扫描电子显微镜图像(红色箭头指的是Aba颗粒,蓝色箭头指的是PCL收缩形成的凸起或凹陷)(B)傅立叶变换红外光谱(C)X射线衍射谱(D)热重曲线(E)孔隙率(F)3D打印支架的降解性能

 

 

 

图2 (A-B)支架应力-应变曲线(C)抗压强度(D)抗压模量

 

 

 

图3 (A)放大倍数为a(3000倍)、b (20,000倍)的支架的SEM图像(B)EDS光谱;浸泡在SBF中28天的支架的(C)XRD谱和(D)pH值变化

 

 

 

图4 (A)支架植入后2个月和3个月颅骨缺损的Micro-CT图像(B)骨密度(BMD);(C)新生骨体积/组织体积(BV/TV)(D)局部骨小梁数目(Tb.N)(E)骨小梁厚度(Tb.Th)

 

 

 研究结论 

 

本研究利用有机-无机杂交技术构建了一种新型的生物增强3D打印Aba/PCL复合支架,用于骨再生应用。仿生支架的孔隙结构相互连接,孔径约为200μm,孔隙率保持在50%以上,有利于营养物质的运输。随着Aba颗粒掺入量从0增加到15%,支架表面变得粗糙,Aba颗粒逐渐暴露。此外,支架的热力学稳定性和力学性能得到了显著改善,最大抗压强度和模量分别达到1.34和1.89MPa。这是因为Aba颗粒为nHAP提供了成核位点,促进了原位矿化。体外细胞实验表明,复合支架具有良好的生物相容性,促进了成骨细胞的增殖。体内实验结果表明,Aba颗粒释放的有机物和微量元素可诱导干细胞和活性因子向骨缺损部位迁移。支架的植入为成骨细胞的附着和增殖提供了微环境,增强了成骨相关基因(如BGLAP、COL1A1、SPP1)的表达,进一步促进了颅骨缺损的修复。这种新型支架的开发为Aba壳的高价值利用和技术在临床不规则骨缺损重建中的应用开辟了新的途径。

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