香港理工大學：用于打印高強，可降解，具生物活性支架的可光交聯(lián)的納米墨水

來源： EngineeringForLife

3D打印在制造骨組織再生的移植替代品方面顯示出巨大的潛力，然而在3D打印材料的可打印性，機械強度和生物活性之間的權衡仍然是一個挑戰(zhàn)。近期，香港理工大學Xin Zhao，新加坡國立大學Jerry Fuh，南京醫(yī)科大學附屬蘇州醫(yī)院Yuefeng Hao合作在Biomaterials發(fā)表題為Photocrosslinkable nanocomposite ink for printing strong, biodegradable and bioactive bone graft的研究論文，提出了一種由三嵌段聚（丙交酯-丙二醇-丙交酯）二甲基丙烯酸酯（PmLnDMA）和甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）功能化羥基磷灰石納米粒子（nHAMA），構成的新型可光交聯(lián)納米復合墨水（圖1）。nHAMA可與周圍的聚合物基質共價交聯(lián)，以進一步增加它們之間的界面鍵合。該納米復和材料墨水具有優(yōu)異的力學性能以及易于調節(jié)的流變性質，潤濕性，降解性和可打印性，同時具備良好的體外和體內的成骨能力，該納米復合材料墨水在3D打印骨移植物中具有廣闊的應用前景。

圖1 納米復合材料的制備及3D打印骨支架示意圖

圖2顯示PmLnDMAand nHAMA材料表征(m和n分別代表丙二醇和丙交酯的單位長度)，如圖2A所示P7L2,P17L4, P7L2DMA and P17L4DMA的1H NMR質譜，“ʃ”表示共振的積分。圖2B-D分別為nHAMA材料的傅里葉紅外光普（FTIR），X射線衍射（XRD）及熱重分析（TGA）結果，提示了HEMA成功接枝。

圖2 PmLnDMAand nHAMA材料合成表征

接著作者對納米復合材料進行了相關表征。通過調整PmLnDMAand nHAMA納米復合材料的成分比例，可控制其光交聯(lián)速率。該納米復合材料在光交聯(lián)過程中放熱量�。ㄐ∮�37℃）（圖3C-E）并且可以保持封裝在內BMP-2蛋白的活性，達到長期穩(wěn)定的釋放。在調控nHAMA的成分后，可控制該復合材料的親水性、降解速率及降解產物的酸堿性（圖3G-I）。

圖3 納米復合墨水的材料表征

隨后作者對納米復合材料的力學性能進行檢測，發(fā)現通過提高nHAHA的含量可以顯著提高納米復合材料的拉伸及壓縮模量(圖4A-B)，nHAMA可以與PmLnDMA相互作用，并形成無機-有機共交聯(lián)的納米復合物網絡，從而進一步增強了納米填料-基質的界面相容性。與單純聚合物相比，納米復合材料具有顯著改善的機械性能，壓縮模量提高了近10倍（從⁓40到 ⁓400MPa）。

圖4 納米復合材料的力學性能

接下來作者對納米復合材料的流變性及可打印性進行了評估，圖5A,B顯示了不同材料的粘度與剪切速率曲線以及UV照射后的流變性能改變。圖5C,D顯示的多層支架以及不同形狀的樣品及結構顯示了該材料良好的打印性能。

圖5 納米復合材料的流變性及可打印性評估

在優(yōu)化了納米復合材料的成分及表征后，作者進行了相關生物學表征，圖6A-E顯示了添加了50%nHAMA與nHA后可促進骨髓間充質干細胞（MSC）良好的黏附與增殖。

圖6 不同材料成分的生物相容性

同時該材料有著良好的體內外成骨效果，圖7A,B顯示添加了50%nHAMA后的納米復合材料對MSC早期成骨標志物堿性磷酸酶（ALP）與后期鈣沉積均有著顯著的促進。同時相關成骨基因OCN,COL1,RUNX2,ALP也顯示了相似結果（圖7C,D）。之后進行了3D打印納米復合材料支架的體內兔股骨缺損修復研究，在此作者通過Micro-CT與組織學檢測，發(fā)現該3D打印可以對兔股骨缺損進行良好的填充支撐，并且可以觀察到良好的新生骨在支架內的生成（圖A-E）。

圖7 不同材料組分對rMSC細胞的體外成骨分化的影響

圖8 不同材料組分3D打印支架在兔股骨缺損中的修復作用

在本研究中，作者設計了一種新型可光交聯(lián)納米復合墨水，通過調整其組分可調控調節(jié)的流變性質，潤濕性，降解性和可打印性，同時該光交聯(lián)墨水在交聯(lián)過程中具產熱低的特點，可裝載各種生物活性分子。該生物墨水制備的3D打印支架具備良好的生物相容性及體內外的成骨能力，在治療大段骨缺損的臨床應用中有著良好的前景。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120378