17
2024
-
12
行业新知 | DLP光固化3D打印双相磷酸钙陶瓷支架在骨组织工程中的应用研究
作者：
行业新知
近日，香港大学王敏教授、南方科技大学白家鸣教授、刘超教授团队在《Bioactive Materials》（IF=18.0）发表了题Enhancing bone regeneration through 3D printed biphasic calcium phosphate scaffolds featuring graded pore sizes的研究，研究通过数字光处理（DLP）3D打印技术制备功能梯度结构的双相磷酸钙（BCP）陶瓷支架，在骨组织工程（BTE）中促进骨再生。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.11.024
奇遇科技官网：https://www.adventuretech.cn/
如无法打开，请拷贝网址到浏览器查阅。
研究内容
人类长骨的孔径呈现出独特的梯度变化特性——外部致密的皮质骨具有较小的孔径，而内部松质骨的孔径较大。这种梯度结构对骨骼的机械性能和代谢功能起到了关键作用。然而，目前大多数骨组织工程（BTE）支架设计中，依然以均质多孔结构为主，难以真正模拟天然骨的分级结构。因此，孔径分级（PSG）支架因其仿生的多孔特性在BTE中表现出巨大的潜力，有望显著提升骨组织再生效果。
材料方面，本研究选用了双相磷酸钙（BCP），一种由羟基磷灰石（HAp）和β-磷酸三钙（β-TCP）组成的混合物，其化学成分接近天然骨，兼具优异的生物相容性、骨传导性和可降解性，非常适合用作BTE支架材料。
为了实现复杂的梯度设计，本研究采用了数字光处理（DLP）技术，这一3D打印技术以高精度、高重复性著称，能够精确再现复杂的梯度孔径设计。DLP打印的支架不仅具备高致密性，还在力学性能和生物学性能方面表现出色，非常适合个性化骨修复产品的批量制造。
具体而言，本研究采用三重周期最小表面（TPMS）的陀螺单元结构，设计并制造了均匀孔径支架和孔径分级（PSG）支架。支架的外围设计为小孔径（400μm），而中心部分则为大孔径（分别为400、600、800或1000μm），并分别命名为400-400、400-600、400-800和400-1000支架。所有支架的孔隙率均保持在70vol%。通过DLP 3D打印技术，成功制备了双相磷酸钙（BCP）支架，并系统评估了其机械性能、质量传输特性以及体内外的生物性能。
以下是文章的研究方法及数据：
△图1，PSG BCP 支架的设计、制造和应用：（A）螺旋结构的几何特征和孔径和厚度的定义。具有两层分级孔分布的支架模型用于（B、D）体外生物学评估和（C、E）压缩特性、物质传输特性和体内生物学评估。（F）示意图说明通过数字光处理 (DLP) 3D 打印制造 BCP 支架的过程。（G）示意图说明使用 DLP 形成的 PSG BCP 支架进行骨再生。
△图2，均匀孔径和 PSG BCP 支架的形态特征。用于体外生物评估的支架：（A）顶视图。（B）3D 视图。（C）中央孔的 SEM 图像。用于压缩特性、物质传输特性和体内生物评估的支架：（D）顶视图。（E）3D 视图。（F）中央孔的 SEM 图像。
△图3，通过压缩测试和有限元分析 (FEA) 分析均匀孔径和 PSG BCP 支架的压缩行为和特性：(A) 压缩应力-应变曲线。(B) 压缩强度和模量（NS：无显著差异。***p < 0.001）。(C) 抗压强度的威布尔图。(D) 正面图和 (E) 横截面图的应力分布。
△图4，均匀孔径和 PSG BCP 支架的计算流体动力学 (CFD) 分析：(A) 边界条件和 (B) 模型的示意图。(C) 支架表面和中间横截面上的压力轮廓。(D) 中间横截面中的速度分布。
△图5，均匀孔径和 PSG BCP 支架的传质特性：(A) 定制的渗透性测试装置。(B) 基于 CFD 分析的压降和计算渗透性。(C) 流体流动与压降的实验结果。(D) 实验渗透性与流体高度的关系。(E) 不同流体高度的相关因子及其拟合曲线。
△图6，均匀孔径和 PSG BCP 支架的体外生物学评估：(A) 培养 1、3 和 5 天后，DAPI 和 Phalloidin 染色的 MC3T3-E1 细胞。(B) 培养 5 天后，BCP 支架上 MC3T3-E1 细胞的形态 (C) 培养 1、3 和 5 天后，BCP 支架上 MC3T3-E1 细胞的增殖情况 (*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, N=3)。
△图7，孔径均匀和 PSG BCP 支架的体外成骨。MC3T3-E1 细胞在四种支架上培养 7 天和 14 天后的 ALP 活性（A）染色图像和（B）定量分析。MC3T3-E1 细胞在四种支架上培养 14 天和 21 天后的茜素红活性（C）染色图像和（D）定量分析。培养第 14 天时 MC3T3-E1 细胞的成骨基因（E）ALP 和（F）COL 1 的表达。（*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001）。
△图8，小鼠皮下植入 2 周和 4 周后，孔径均匀的 400-400 支架和分级的 400–600、400–800 和 400–1000 支架的组织学分析（高倍放大）：(A) ROI 插图。(B) H&E 染色后的样品（黑色星号：血管）。(C) Goldner 三铬染色后的样品（黑色箭头：类骨质）。
△图9，小鼠皮下植入 2 周和 4 周后均匀孔径和 PSG BCP 支架的免疫组织化学分析：(A) ROI 插图。VEGF 结果：(B) VEGF 染色结果。(C) VEGF + 血管数量。(D) VEGF 阳性面积百分比。CD 31 结果：(E) CD 31 染色结果。(F) CD 31 + 血管数量。(G) CD 31 阳性面积百分比 (*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001)。
结论
本研究通过DLP 3D打印技术制备了均匀孔径和孔径分级（PSG）双相磷酸钙（BCP）支架，发现几何结构对其性能有重要影响。尽管所有支架孔隙率相同，梯度支架的中心孔径增大显著提升了渗透性和质量传输能力，但抗压强度在孔径较大时有所降低。特别是梯度400–800支架在体外促进了成骨分化，在体内增强了血管生成和新骨形成，同时保持了良好的力学性能和渗透性。
本研究表明，通过结构优化和先进3D打印技术，可在BTE支架的机械、传输和生物性能之间实现优化平衡。
相关新闻
暂无数据
立即咨询
如果您对我们的产品感兴趣，请留下您的电子邮件，我们将尽快与您联系，谢谢！
深圳地址：广东省深圳市龙岗区留学人员创业园1园120房间 佛山地址：广东省佛山市南海区大沥镇盐步穗盐西路92号a栋304-1