香港理工大學(xué)：用于打印高強(qiáng)，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(jī)械強(qiáng)度和生物活性之間的權(quán)衡仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。近期，香港理工大學(xué)Xin Zhao，新加坡國(guó)立大學(xué)Jerry Fuh，南京醫(yī)科大學(xué)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(gòu)成的新型可光交聯(lián)納米復(fù)合墨水（圖1）。nHAMA可與周圍的聚合物基質(zhì)共價(jià)交聯(lián)，以進(jìn)一步增加它們之間的界面鍵合。該納米復(fù)和材料墨水具有優(yōu)異的力學(xué)性能以及易于調(diào)節(jié)的流變性質(zhì)，潤(rùn)濕性，降解性和可打印性，同時(shí)具備良好的體外和體內(nèi)的成骨能力，該納米復(fù)合材料墨水在3D打印骨移植物中具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 納米復(fù)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(zhǎng)度)，如圖2A所示P7L2,P17L4, P7L2DMA and P17L4DMA的1H NMR質(zhì)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(jié)果，提示了HEMA成功接枝。

圖2 PmLnDMAand nHAMA材料合成表征

接著作者對(duì)納米復(fù)合材料進(jìn)行了相關(guān)表征。通過調(diào)整PmLnDMAand nHAMA納米復(fù)合材料的成分比例，可控制其光交聯(lián)速率。該納米復(fù)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(nèi)BMP-2蛋白的活性，達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)定的釋放。在調(diào)控nHAMA的成分后，可控制該復(fù)合材料的親水性、降解速率及降解產(chǎn)物的酸堿性（圖3G-I）。

圖3 納米復(fù)合墨水的材料表征

隨后作者對(duì)納米復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)通過提高nHAHA的含量可以顯著提高納米復(fù)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(wú)機(jī)-有機(jī)共交聯(lián)的納米復(fù)合物網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了納米填料-基質(zhì)的界面相容性。與單純聚合物相比，納米復(fù)合材料具有顯著改善的機(jī)械性能，壓縮模量提高了近10倍（從⁓40到 ⁓400MPa）。

圖4 納米復(fù)合材料的力學(xué)性能

接下來作者對(duì)納米復(fù)合材料的流變性及可打印性進(jìn)行了評(píng)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(jié)構(gòu)顯示了該材料良好的打印性能。

圖5 納米復(fù)合材料的流變性及可打印性評(píng)估

在優(yōu)化了納米復(fù)合材料的成分及表征后，作者進(jìn)行了相關(guān)生物學(xué)表征，圖6A-E顯示了添加了50%nHAMA與nHA后可促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)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(shí)該材料有著良好的體內(nèi)外成骨效果，圖7A,B顯示添加了50%nHAMA后的納米復(fù)合材料對(duì)MSC早期成骨標(biāo)志物堿性磷酸酶（ALP）與后期鈣沉積均有著顯著的促進(jìn)。同時(shí)相關(guān)成骨基因OCN,COL1,RUNX2,ALP也顯示了相似結(jié)果（圖7C,D）。之后進(jìn)行了3D打印納米復(fù)合材料支架的體內(nèi)兔股骨缺損修復(fù)研究，在此作者通過Micro-CT與組織學(xué)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該3D打印可以對(duì)兔股骨缺損進(jìn)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(nèi)的生成（圖A-E）。

圖7 不同材料組分對(duì)rMSC細(xì)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(fù)作用

在本研究中，作者設(shè)計(jì)了一種新型可光交聯(lián)納米復(fù)合墨水，通過調(diào)整其組分可調(diào)控調(diào)節(jié)的流變性質(zhì)，潤(rùn)濕性，降解性和可打印性，同時(shí)該光交聯(lián)墨水在交聯(lián)過程中具產(chǎn)熱低的特點(diǎn)，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(nèi)外的成骨能力，在治療大段骨缺損的臨床應(yīng)用中有著良好的前景。

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