Advanced Science：諾丁漢研究人員開(kāi)發(fā)復(fù)合材料細(xì)菌生物膜抗性人體植入物3D打印技術(shù)

導(dǎo)讀：隨著對(duì)疾病認(rèn)識(shí)的加深，針對(duì)個(gè)體的個(gè)性化治療需求也在增加。然而，大多數(shù)批量生產(chǎn)的醫(yī)療設(shè)備無(wú)法完全滿足患者復(fù)雜的需求，單一材料3D打印方法也存在設(shè)計(jì)限制，無(wú)法生產(chǎn)具有多種生物或機(jī)械功能的定制設(shè)備。

針對(duì)這一問(wèn)題，諾丁漢大學(xué)研究人員采用多材料噴墨3D打�。∕M-IJ3DP）和遺傳算法（GA），通過(guò)設(shè)計(jì)每個(gè)體素中不同墨水的比例，使打印產(chǎn)品表現(xiàn)出所需的性能，例如模量、透明度等。團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)兩種可抑制聚合后生物膜的形成，同時(shí)具有非常不同的彈性模量的功能性墨水，結(jié)合MM-IJ3DP打印復(fù)合結(jié)構(gòu)。

△ 3D打印和表征定制生物膜抑制裝置。a) 現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)中四種單體獲得的兩種高度分化模量的生物膜抗性材料。b)MM-IJ3DP雙噴墨打印單元和紫外線燈。c) 偽隨機(jī)打印策略生成具有模數(shù)選擇的復(fù)合體素。d)物理性能的機(jī)械測(cè)試，化學(xué)成分的ToF-SIMS，和細(xì)菌生物膜抑制和細(xì)胞活力測(cè)定。e)不同成分試樣性能數(shù)據(jù)庫(kù)。f) GA有限元分析。g) 器件示例。

這項(xiàng)工作的靈感來(lái)自解決與設(shè)備/植入物相關(guān)的細(xì)菌感染和抗菌素耐藥性(AMR) 的需要。因此，它避免使用抗生素和其他促抗微生物耐藥性發(fā)展的藥劑，采用細(xì)菌生物膜抗性材料，這些材料在接觸時(shí)不會(huì)殺死細(xì)菌。

用于實(shí)驗(yàn)的3D打印機(jī)是PiXDROL P50，它使用雙打印頭，每個(gè)打印頭有128個(gè)噴墨噴嘴。設(shè)備與常規(guī)噴射3D打印機(jī)一樣，使用紫外線選擇性沉積光聚合物。不同之處在于使用材料的復(fù)雜配方，不僅具有不同程度的柔韌性，同時(shí)還具有生物相容性。這使研究人員能夠個(gè)性化定制更加自然，具有強(qiáng)度和靈活性的3D模型。因?yàn)榇蛴∵^(guò)程中，材料隨著不同體素進(jìn)行混合，剛性和柔性區(qū)域整合在一起，沒(méi)有明顯分界。

△用于生物兼容醫(yī)療設(shè)備的多材料3D打印機(jī)

這種方法的一個(gè)附帶好處是安全，因?yàn)槭褂昧恕氨举|(zhì)上具有抗細(xì)菌性”的材料，降低了患者在植入后服用抗菌藥物的需要。實(shí)驗(yàn)中的指關(guān)節(jié)植入物只是這種新多材料技術(shù)的一種可能性，其他可能性或許還有3D打印“智能藥丸”。通過(guò)復(fù)雜的3D設(shè)計(jì)，材料層可以在可預(yù)測(cè)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)溶解，從而可以按時(shí)間釋放藥物。

△通過(guò)聚合物復(fù)合材料的兩個(gè)區(qū)域設(shè)計(jì)懸臂彎曲輪廓示例；MM-IJ3DP生物膜抗性醫(yī)療器械潛在應(yīng)用示例：指關(guān)節(jié)植入物。

這項(xiàng)工作展示了MM-IJ3DP打印醫(yī)療設(shè)備/植入物的制造，通過(guò)生成式設(shè)計(jì)引導(dǎo)墨水的共沉積制造功能性復(fù)合材料產(chǎn)品，這些復(fù)合材料既能抵抗細(xì)菌生物膜的形成，又能實(shí)現(xiàn)特定的輪廓。結(jié)合先進(jìn)的配方和設(shè)計(jì)工具與MM-IJ3DP技術(shù)，能夠?yàn)樘岣邆�(gè)性化醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)能力創(chuàng)造機(jī)會(huì)，以及根據(jù)個(gè)別患者的需求進(jìn)行量身定制。

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文獻(xiàn)地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202100249