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2024
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行业新知 | 直写 DIW 3D打印磷酸钙骨支架的机械性能研究
作者：
奇遇科技
近日，加泰罗尼亚理工大学Maria-Pau Ginebra团队在《Ceramics International》发表了题Enhancing the mechanical performance of 3D-printed self-hardening calcium phosphate bone scaffolds: PLGA-based strategies的研究，主要研究了通过两种基于PLGA（聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物）的策略来增强 3D 打印自硬化磷酸钙骨支架的机械性能，并对其理化性质、机械性能和体外生物学性能进行了评估。。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.08.473
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研究内容
在骨移植手术中，患者的骨再生能力常常不足，尤其在重大创伤、骨质疏松、感染等情况下。这使得骨移植成为一个重要的临床需求，同时也带来了社会经济挑战。传统骨移植方法，包括自体骨、同种异体骨和异种骨，各有其局限，如供体部位的可用性和免疫反应风险。因此，合成骨移植作为一种具有无限可用性和调节性的替代方案，逐渐受到关注。
磷酸钙（CaPs）作为一种广泛使用的合成生物材料，其与天然骨相似的特性使其成为理想的骨移植材料。直写DIW 3D打印技术使得这种材料能够被定制成复杂的结构，但在固化过程中仍需提升其机械性能，以适应承重需求。传统的高温烧结虽然能提高强度，但常会导致材料性能的降低和生物活性的缺失。
为此，本研究探索了两种基于聚乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA）的创新增强策略：一是将PLGA作为自硬化墨水的粘合剂，二是通过浸透法增强已打印的支架。通过对这三种材料的物理化学性质、机械性能和体外生物学性能的评估，本研究旨在寻找适合临床应用的骨移植解决方案，为患者提供更安全、有效的治疗选择。
△图1，示意图显示了所研究的加固策略和用于制造三组支架（CTRL、PLGA-B、PLGA-I）的加工路线。CTRL 支架是全陶瓷的 [1]）；PLGA-B 组由两个相互交织的基质（陶瓷和聚合物）组成，每个基质都具有结构完整性；PLGA-I 组具有陶瓷芯和渗透的聚合物相。
△图2，两种不同的陶瓷聚合物复合支架（PLGA-I）或墨水中的 PLGA（PLGA-B）与全陶瓷支架（CTRL）的比较。(A) X 射线衍射 (XRD) 图案，符号表示不同的结晶相：缺钙羟基磷灰石 (CDHA，黑点)、β-磷酸三钙 (β-TCP，红色三角形) 和 α-磷酸三钙 (α-TCP，蓝色方块)；(B) 复合支架（PLGA-I 和 PLGA-B）的傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 光谱，与全生物陶瓷支架 (CTRL) 和原样 PLGA 聚合物进行比较，以供参考。黑色箭头表示与磷酸钙陶瓷相关的吸收带和振动模式，灰色箭头表示与 PLGA 聚合物相相关的吸收带；(C) 复合支架 (PLGA-I 和 PLGA-B) 的差示扫描量热法 (DSC) 加热热图 (放热上升)，与原始 PLGA 的加热热图进行比较以供参考。黑色箭头表示原始 PLGA 的玻璃化转变温度 (Tg)、熔化温度 (Tm) 和降解温度 (Td)，红色箭头表示 Td 的下降趋势。。
△图3，支架横截面、细丝表面和细丝横截面的扫描电子显微镜 (SEM) 图像，显示了三组的微观结构：生物陶瓷支架 (CTRL)、墨水中含有 PLGA 的复合支架 (PLGA-B) 或渗透 PLGA (PLGA-I)。白色箭头表示聚合物相的存在。
△图4，通过压汞法 (MIP) 确定了两种复合支架的孔隙入口尺寸分布，其中 PLGA 为墨水 (PLGA B) 和渗透 (PLGA-I)，并与作为对照的生物陶瓷样品 (CTRL) 进行比较。黑条插图和图像展示并可视化了支架中发现的不同孔隙度水平：聚合物相内的纳米孔隙度（孔径约为 0.009–0.011 μm）、CDHA 晶体针之间的微孔隙度（孔径入口约为 0.045–0.052 μm）、CDHA 团聚体之间的微孔隙度（孔径入口约为 0.077–0.125 μm）、印刷线之间的大孔隙度（孔径入口约为 226–227 μm）。
△图5，使用 μ-CT 获取的图像对 3D 打印圆盘 (Ø6 mm x 2 mm) 进行 3D 重建，比较不同的支架组：生物陶瓷 (CTRL)、墨水中的 PLGA (PLGA-B) 和渗透 PLGA (PLGA-I)。(A) 根据从扫描样本获得的图像对重建的 3D 模型进行可视化；(B) 基于 (A) 中的 3D 重建进行形状保真度分析，将 XY 和 Z 方向的尺寸偏差与理论打印参数值进行比较。在 (B) 中，不同的字母、数字和符号表示每个参数内条件之间的统计显着差异 (p<0.05)。
△图6，与生物陶瓷支架 (CTRL) 相比，对两种含有墨水中的 PLGA (PLGA-B) 或渗透 PLGA (PLGA-I) 的复合支架的机械性能进行评估：(A) 单轴三点弯曲 (即屈曲) 和 (B) 压缩模式下的特征载荷-位移曲线，以及初始支架形状和载荷后不同支架类型的对应插图。压缩载荷-位移曲线中的附加黑色箭头表示支架中的局部股线断裂；(C) 对 CTRL、PLGA-B 和 PLGA-I 支架进行可拧性测试，旨在重建具有挑战性的颌骨垂直和水平刀刃脊指征的固定，包括手术步骤：用 Ø1.2 毫米钻头对支架和解剖模型进行穿孔，并用 Ø1.5 毫米/L 7 毫米固定螺钉固定支架。PLGA-B 回收样品中的星号 (*)：在回收支架固定后钻了几个穿孔，以评估对相邻钻孔的抵抗力。该测试仅在 PLGA-B 中进行，因为它是唯一在固定步骤中幸存下来的支架。
△图7，(A) 通过电感耦合等离子体发射光谱 (ICP-OES) 量化接种有 MG-63 细胞的 3D 打印支架与培养基 (补充 DMEM) 之间的体外离子波动，显示与三种支架类型接触的培养基收集的上清液中的 Ca2+ 和 Pi 浓度：CTRL、墨水中的 PLGA (PLGA-B) 和渗透 PLGA (PLGA-I)，与培养基中的初始离子浓度相比；(B) 通过反射法对为离子波动测定收集的上清液进行 pH 测量；(C) 接种有 MG-63 细胞并孵育 1、3 和 7 天的对照生物陶瓷支架 (CTRL) 的代表性共聚焦激光扫描显微镜 (CLSM) 图像。肌动蛋白丝 (F-Actin) 用 Alexa Fluor™ 546 Phalloidin 进行荧光染色，细胞核用 4′,6-二脒基-2-苯基吲哚 (DAPI) 进行荧光染色，显示每个时间点 3D 打印样品上的细胞分布（比例尺 1 毫米）。
△图8，使用 MG-63 细胞系进行体外生物学评估，这些细胞系与三种 3D 打印的 CaP 基支架组直接接触，孵育 1、3 和 7 天：全陶瓷 (CTRL)、墨水中的 PLGA (PLGA-B) 和渗透 PLGA (PLGA-I)。(A) 用 Presto Blue® 评估细胞活力，结果相对于每个相应时间点的 CTRL 样本进行标准化；(B) 根据 CLSM 图像和细胞核荧光染色 (DAPI) 进行细胞计数获得的细胞数；(C) 细胞形态和附着在 3D 打印细丝上的代表性图像（比例尺 50 μm）；(D) 直接附着在 3D 打印细丝上的细胞增殖的代表性图像（比例尺 500 μm）。(C) 和 (D) 中的所有图像均通过荧光 CLSM 获取，用 Alexa Fluor™ 546 Phalloidin 染色的 F-Actin（橙色）和用 DAPI 染色的细胞核（蓝色）；在 (A) 中，不同的字母和数字表示每个时间点内条件之间的统计学显着差异 (p < 0.05)；在 (B) 中，不同的字母表示条件和时间点之间的统计学显着差异 (p < 0.05)。
△图9，体外生物学评估采用培养 1、7 和 21 天的 hMSC 细胞与不同的 3D 打印的基于 CaP 的支架直接接触：生物陶瓷 (CTRL)、墨水中的 PLGA (PLGA-B) 和渗透 PLGA (PLGA-I)。(A) 用 Presto Blue® 评估细胞活力，结果相对于每个相应时间点的 CTRL 样品进行标准化；(B) 细胞形态和细胞在 3D 打印细丝上的附着的代表性图像（比例尺 50 μm）；(C) 直接附着在 3D 打印细丝上的细胞增殖和细胞骨架扩散的代表性图像（比例尺 500 μm），蓝色箭头表示细胞之间相互连接的细胞骨架；(D) 细胞培养 21 天后的支架横截面代表性图像（比例尺 500 μm），白色箭头表示细胞桥接 PLGA-B 和 PLGA-I 中细丝之间的大孔。(B)–(D) 中的所有图像均通过荧光 CLSM 获取，F-Actin 用 Alexa Fluor™ 546 Phalloidin（橙色）染色，细胞核用 DAPI（蓝色）染色；(E) 在支架上培养 21 天的 hMSC 的 ALPL、RUNX2、SPP1 和 COL1A1 基因表达，表达水平通过 qRT-PCR 确定，并使用 GAPDH 作为管家基因将结果相对于 CTRL 样本进行标准化；(F) 通过吸光度测量量化碱性磷酸酶 (ALP) 活性。在 (A)、(E) 和 (F) 中，不同的字母和数字表示不同条件之间的统计学显著差异 (p < 0.05)，在 (E) 和 (F) 中表示每个时间点和基因内的统计学显著差异。
结论
该研究探讨了通过两种方法改善直写DIW 3D打印自固化多孔生物陶瓷支架的机械性能和克服脆性的问题：将聚乳酸-共聚乙烯醇（PLGA）作为粘合剂添加到自硬化墨水中，或在后处理过程中进行浸渗。研究表明，PLGA与缺钙羟基磷灰石（CDHA）纳米晶体结合，成功打印并通过低温固化处理加固支架。后处理和灭菌过程中PLGA相的部分降解，特别是在浸渗样品中，导致其分子量和结晶度降低，但PLGA的加入增强了机械性能，尤其是抗断裂工作能力。
研究还显示，PLGA的添加提高了支架的塑性变形能力，支架成功原型化、穿孔并固定在颌部的复杂解剖模型上，证明了其在螺钉固定性能和几何适配性方面的有效性。此外，与对照组相比，复合支架表现出优异的生物学特性，特别是PLGA-B条件下促进了细胞增殖并在与MG-63和hMSC细胞直接接触时显示了增强的成骨诱导特性。
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