Biomaterials｜“全能”的3D打印骨修復材料被成功開發(fā)

來源：上普生物

導讀：目前已經(jīng)有很多研究者利用生物3D打印技術進行骨組織修復，高分子聚合物材料、水凝膠類材料在骨修復應用各有利弊，單一材料往往無法平衡機械強度、可打印性、生物相容性/生物活性以及骨傳導性。近日，香港理工大學的趙昕教授、新加坡國立大學的Jerry Fuh教授和南京醫(yī)科大學附屬蘇州醫(yī)院郝躍峰副院長最近在生物材料頂刊Biomaterials上發(fā)表了題為Photocrosslinkable nanocomposite ink for printing strong, biodegradable and bioactive bone graft文章（論文第一作者為楊雨禾博士），創(chuàng)新性地開發(fā)出了一款光敏納米復合生物墨水，兼具機械強度、生物相容性與生物活性，可用于3D打印骨組織修復。

骨修復應用生物墨水
受傷、疾病或外傷引起的大規(guī)模骨損傷往往缺乏自我修復能力，盡管自體移植和同種異體移植已在臨床上得到批準并顯示令人滿意的治療效果，但在臨床上也往往會出現(xiàn)供體部位的發(fā)病、免疫以及炎癥反應。3D打印組織工程骨支架具有高保真度、復雜多孔結構、優(yōu)秀的生物相容性，可以快速精準的滿足患者需求，越來越多的研究者開始使用3D打印技術進行骨組織修復。

微擠出式生物3D打印操作簡單、高效、成本相對低，是3D打印骨修復支架的可靠工藝技術。常用的材料包括PCL、PLGA，具有很好的機械強度和可打印性，但由于打印過程中往往涉及有機溶劑或高溫，所以會喪失支架的生物活性；可光交聯(lián)的水凝膠類生物墨水例如GelMA、HAMA等機械性能太低，無法為骨再生提供支撐，且在光交聯(lián)過程中，會受到較高的溫度，使得生長因子、DNA等具有生物活性的分子失去活性；無機材料例如羥基磷灰石或磷酸三鈣可以改善成骨活性和機械強度，但是其在支架內(nèi)部往往分布不均勻甚至堵塞打印噴頭。綜上所述，用于骨修復應用的生物墨水應該具有優(yōu)秀的可打印性、機械強度以及良好的生物活性。


新型光敏納米復合生物墨水
研究者開發(fā)出一種新型光敏納米復合生物墨水，此種墨水三嵌段聚（丙交酯-丙二醇-丙交酯）二甲基丙烯酸酯（PmLnDMA）以及甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）官能化的納米羥基磷灰石（nHAMA）組成。其中，丙二醇提供可打印性，丙交酯具有降解性，甲基丙烯酸酯具有光交聯(lián)性，反應性HEMA共軛nHAMA的設計可以提供以下功能：
1）提高無機納米材料的穩(wěn)定性和均勻分散，防止沉淀
2）與PmLnDMA共價交聯(lián)聚合物基體形成無機-有機共交聯(lián)的納米復合材料網(wǎng)絡，進一步提成機械強度
3）中和聚合物的酸性降解產(chǎn)物
4）使得復合材料具有骨傳導性和骨誘導性

研究發(fā)現(xiàn)PmLnDMA與nHAMA可以在140秒內(nèi)實現(xiàn)光交聯(lián)，形成無機-有機共交聯(lián)的納米復合材料網(wǎng)絡。通過簡單地更改PmLnDMA中PPG和LA的鏈長（即m和n）和nHAMA的含量，研究者可以穩(wěn)健地調(diào)整材料的流變性，潤濕性，降解性和可打印性，且光交聯(lián)過程中產(chǎn)生的熱量較低（<37℃），此材料也更適合例如骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（BMP-2）這類不耐熱生物活性分子的釋放。是一款非常理想的骨修復應用的生物墨水。

新型生物墨水性能PmLnDMA和nHAMA的表征

研究者通過NMR光譜，發(fā)現(xiàn)了PmLn的甲基丙烯酸酯化，并證實了PmLnDMA的成功合成，F(xiàn)TIR光譜進一步揭示了PnLnDMA的合成過程。同樣，通過FTIR光譜，研究者證實了nHAMA的成功合成。之后研究者通過一系列實驗，證明接枝反應后，羥基磷灰石的晶體特性得以維持，且nHAMA具有出色的穩(wěn)定性和分散性。

3D打印PmLnDMA/nHAMA復合材料
研究者通過上普微擠出式生物3D打印機ALPHA-CPD1進行PmLnDMA/nHAMA復合材料3D打印，并發(fā)現(xiàn)此種復合材料具有良好的快速光固化特性，其結構完整性和分辨率很高。特別的是，此種材料在光交聯(lián)后收縮率較小，這種較小的收縮對于打印精度以及保真度具有積極作用。

通過實驗，研究者發(fā)現(xiàn)此復合材料在光固化過程中峰值溫度整體低于正常人體體溫（37℃），對于生長因子的生物活性和長期釋放的穩(wěn)定性十分友好。更進一步，研究者將BMP-2與復合材料混合，并進行緩釋試驗，發(fā)現(xiàn)BMP-2在60天后無突釋現(xiàn)象，并且可以通過改變nHAMA含量調(diào)整緩釋速率，這證明此種復合材料可以輕松封裝生物因子，保持生物活性并實現(xiàn)穩(wěn)定緩釋，是極好的藥物載體。

通過支架降解實驗，研究者發(fā)現(xiàn)nHAMA含量越高，降解速度越快，并且在降解后，nHA可以有效中和PmLnDMA的酸性降解產(chǎn)物，從而保持細胞微環(huán)境的pH穩(wěn)定性。

通過機械強度測試，研究者發(fā)現(xiàn)復合材料的壓縮模量與強度與天然松質(zhì)骨的壓縮模量相當，并且具有相當出色的韌性。

此復合材料具有一定的剪切變稀特性，可打印性較好，且打印的精度較高。研究者還進一步證實，此種材料還可以順利打印復雜3D結構，說明此復合材料可打印性極佳。

生物學評估
通過細胞培養(yǎng)，在支架上的細胞面積明顯增大，3天后細胞存活率高達90%，說明復合材料支架具有良好的細胞相容性并為細胞提供粘附和生長。

通過對復合材料成骨能力實驗，研究者發(fā)現(xiàn)P7L2DMA / 50％nHAMA納米復合材料可以促進骨誘導鈣離子釋放增加，促進了運動和骨傳導過程以及更高的表面模量，說明其具有良好的成骨能力。

與堅固的椎間盤/栓塞材料或可注射的原位固化材料相比，3D打印的支架由于其良好的幾何形狀和多孔結構可匹配各個骨缺損形狀并允許新的組織浸潤而顯示出更好的骨修復功效。通過將3D打印支架植入白兔股骨中，研究者發(fā)現(xiàn)術后8周后骨缺損部位開始形成新骨，且支架依然保留。

結論
本研究成功開發(fā)了一種新型PmLnDMA/nHAMA光敏納米復合生物墨水，應用于骨組織修復，其具有良好的可打印性和機械性能，對于生物活性因子十分友好，并具有優(yōu)秀的生物相容性與成骨性能，是3D打印骨修復組織工程支架的新型理想材料。

參考文獻

Yang, Yuhe, Qiang Zhang, Tianpeng Xu, Hongyu Zhang, Ming Zhang, Li Lu, Yuefeng Hao, JerryY H. Fuh, and Xin Zhao. "Photocrosslinkable nanocomposite ink for printing strong, biodegradable and bioactive bone graft." Biomaterials (2020): 120378.