科英布拉大學:研究用于3D打印軟骨的FOMM材料

2022年3月，南極熊獲悉，University of Coimbra（科英布拉大學）的研究人員發(fā)布了一項新研究，探索在生物醫(yī)學應用中能夠3D打印軟骨的不同聚合物的潛力。探索利用熔絲制造(FFF)技術加工的聚合物材料用于軟骨全置換的可能性。

軟骨損傷可能由疾病、創(chuàng)傷和退行性疾�。ㄈ绻顷P節(jié)炎）引起，骨關節(jié)炎是關節(jié)疼痛和活動受限的主要原因之一。組織工程是軟骨修復全關節(jié)置換的替代方法，3D打印正越來越多地用于此領域的多個研究項目。

研究回顧

Chalmers University of Technology（查爾姆斯理工大學）的科學家此前已經(jīng)證明了軟骨組織工程可以使用3D生物打印治療骨關節(jié)炎，而Central QueenslandUniversity（中央昆士蘭大學）的微生物學家則將鱷魚蛋白和3D生物打印結合起來，試圖修復關節(jié)損傷。University of Alberta（阿爾伯塔大學）的一個團隊為面部畸形的癌癥患者找到了一種3D生物打印定制鼻軟骨的方法，而Swansea University（斯旺西大學）已經(jīng)開始將3D打印用于無疤痕耳鼻移植的軟骨組織支架。

△阿爾伯塔大學科學家制作的3D生物打印鼻形組織植入物的3D模型。圖片來自FASEB期刊。

3D打印軟骨的常用方法和瓶頸

通常，最常見的軟骨置換和修復方法是全置換，通常使用鈷鉻(CoCr)或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)結構，或通過支架植入。然而，盡管CoCr被認為具有生物相容性和不可降解性，它的剛度也會由于機械負載而導致骨骼的機械屏蔽。同時，雖然UHMWPE呈現(xiàn)出與天然軟骨相似的機械性能，但它在負載下可能出現(xiàn)結構不穩(wěn)定。

對于修復和再生，生物醫(yī)學支架是有益的，因為它們可以提供三維框架使細胞增殖，最常用的天然材料是膠原蛋白、瓊脂糖、殼聚糖、纖維蛋白和藻酸鹽。目前用于此目的的合成聚合物包括PEG、PLA、PVA和PU。

然而，迄今為止，利用3D打印加工這些材料制得的模型，都針對特定類型的軟骨和局部植入，這可能會影響未來結構的標準化。因此，科英布拉的研究人員決定將研究重點放在FOMM上，用于軟骨修復的3D打印結構。FOMM由PVA和TPU組成，這兩種材料之前都已用于與軟骨相關的應用。他們使用PA12作為控制材料，因為它在低溫下仍具有高抗沖擊性、低吸水性、抗應力開裂性和高頻循環(huán)載荷條件下的抗疲勞特性。

研究新聚合物

在本研究中，科英布拉大學的研究人員探索適合生產(chǎn)3D打印軟骨組織的新聚合物，這些聚合物有可能用作全軟骨替代品.該團隊研究了PA12的特性（已用于3D生物醫(yī)學領域），以及一種新的細絲LAY-FOMM 60（用于3D打印能夠促進軟骨修復的結構）。據(jù)研究人員稱，這是首次針對這一特定應用提出此類材料的研究。

生物醫(yī)學領域中的文獻中沒有對Fomm材料進行性能介紹或研究。因此，為了更好地理解這種新型聚合物的結構-性能-應用關系，研究人員對長絲的化學性能、熱性能、溶脹性、力學性能、打印樣品進行了全面的表征和測試。并將這些性能與天然軟骨進行了比較。

△用于彎曲測試的FOMM打印試樣的宏觀照片。圖片來自MDPI聚合物。

△FOMM細絲拉伸試驗的代表性宏觀圖。圖片來自MDPI聚合物。

△膨脹能力測試結果

研究人員發(fā)現(xiàn)PA12表現(xiàn)出低膨脹能力，而FOMM在其干燥和濕潤形式中都表現(xiàn)出更高的膨脹能力，并且更接近天然軟骨的膨脹能力。研究人員還觀察到，兩種聚合物的機械性能都高于天然軟骨。

△顯微硬度測試結果

在進行超顯微硬度測試時，F(xiàn)OMM的機械性能表明該材料是老年患者軟骨置換的良好替代品。研究人員聲稱，他們的研究發(fā)現(xiàn)了在FOMM中設計具有PA12核心和外殼的多材料結構的新研究途徑，未來的工作包括制備這種多材料結構及其體外表征。

原文鏈接：https://doi.org/10.3390/polym14051044