卡內(nèi)基梅隆大學(xué)使用3D打印技術(shù)，研發(fā)磷酸鈣石墨烯材料用于骨再生

2022年5月8日，南極熊獲悉，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(CMU)和康涅狄格大學(xué)(UConn)使用3D打印技術(shù)，研發(fā)新型磷酸鈣石墨烯(CaPG)材料，未來(lái)可用于骨再生應(yīng)用。

研究小組試圖開發(fā)一種替代傳統(tǒng)自體骨移植的方法，這種方法可以簡(jiǎn)單快速的治療骨缺損和骨損傷。它是一種適用于缺陷部位組織再生的3D打印生物替代材料，該材料具有許多醫(yī)療適用性，如骨誘導(dǎo)性、生物安全性、長(zhǎng)保質(zhì)期和合理的價(jià)格等。

△仿生3D打印的CaPG矩陣設(shè)計(jì)。圖片來(lái)自自然

3D打印與石墨烯的發(fā)展
石墨烯本來(lái)就存在于自然界，它具有輕質(zhì)特性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及極高的機(jī)械強(qiáng)度，自發(fā)現(xiàn)以來(lái)已成為生物醫(yī)學(xué)、能源生產(chǎn)和微電子領(lǐng)域應(yīng)用的理想材料。

獲取石墨烯材料難點(diǎn)是剝離出單層結(jié)構(gòu)，石墨烯一層層疊起來(lái)就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。因此這對(duì)于3D打印來(lái)說(shuō)也提出了重大挑戰(zhàn)。

盡管如此，隨著3D打印的發(fā)展，人們不斷研發(fā)3D打印與石墨烯材料的結(jié)合。例如，弗吉尼亞理工大學(xué)和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)開發(fā)了一種高分辨率3D打印方法，可將石墨烯分散在凝膠中以形成可3D打印的樹脂，后者還與加州大學(xué)Cruz合作生產(chǎn)用于儲(chǔ)能設(shè)備的石墨烯氣凝膠等等。

△3DP-CaPG基質(zhì)上hMSCs的相容性和成骨分化。圖片來(lái)自自然

3D打印CaPG功能性石墨烯材料
石墨烯已被納入增材制造工藝，以增強(qiáng)所得基質(zhì)的成骨特性，用于骨再生。然而，未功能化的石墨烯材料缺乏骨誘導(dǎo)性，并且大多數(shù)基質(zhì)都沒有在體內(nèi)進(jìn)行研究。

過去，人們?cè)谔剿魅绾沃圃斐鲆环N合成基質(zhì)，具有優(yōu)秀的骨誘導(dǎo)特性，同時(shí)還具有生物安全性、保質(zhì)期長(zhǎng)且生產(chǎn)成本效益高。其中，含有石墨烯的材料因其優(yōu)異的化學(xué)、機(jī)械和生物學(xué)特性而受到廣泛關(guān)注。

含石墨烯的材料可以促進(jìn)細(xì)胞的粘附和生長(zhǎng)，一些證據(jù)表明它們具有成骨潛力，因此這些材料正越來(lái)越多地用作骨再生工程。然而，單獨(dú)的氧化石墨烯缺乏在損傷部位啟動(dòng)天然骨再生能力。此外，該團(tuán)隊(duì)還觀察到，雖然氧化石墨烯薄片具有出色的機(jī)械性能，但它的大塊結(jié)構(gòu)缺乏為再生骨骼提供穩(wěn)定的機(jī)械性能。

因此，他們成功地創(chuàng)建了一個(gè)功能化改性的石墨烯，稱為磷酸鹽石墨烯，具有很好的骨再生的潛力。通過添加鈣3D打印了一種模擬骨骼的CaPG材料（鈣能夠促進(jìn)干細(xì)胞分化為骨細(xì)胞）。

△小鼠顱骨缺損模型中基質(zhì)的生物相容性。圖片來(lái)自自然

骨再生技術(shù)的進(jìn)步
該團(tuán)隊(duì)使用生物制造公司Dimension Inx的直接墨水書寫(DIW) 3D打印方法，來(lái)制造具有多孔結(jié)構(gòu)的CaPG材料，其中墨水中石墨的含量“非常高”（約 90%）。這使得細(xì)胞能夠進(jìn)入骨傳導(dǎo)主干，并控制鈣和磷酸鹽離子的釋放，這意味著宿主對(duì)基質(zhì)的反應(yīng)主要依靠石墨烯的含量，而不是生物惰性粘結(jié)劑。

該團(tuán)隊(duì)可以輕松地打印具有特定幾何形狀的構(gòu)矩陣，用于細(xì)胞和動(dòng)物研究。該小組指出，也可以直接打印匹配特定的骨缺損。因此，3D打印可與CaPG材料完美相結(jié)合，為骨再生工程提供了可定制的新技術(shù)。

△3DP-CaPG基質(zhì)的生物降解和生物分布。圖片來(lái)自自然

有關(guān)該研究的更多信息，請(qǐng)參見《自然》雜志上發(fā)表的題為“超低粘合劑含量3D打印磷酸鈣石墨烯支架是一種可吸收的骨誘導(dǎo)基質(zhì)，支持體內(nèi)骨形成”的論文。該研究由L. Daneshmandi、B. Holt、A. Arnold、C. Laurencin 和 S. Sydlik等共同撰寫（點(diǎn)我傳送門）。

對(duì)于體內(nèi)試驗(yàn)，CaPG與骨髓基質(zhì)細(xì)胞(BMSCs)結(jié)合，以促進(jìn)小鼠皮下空間內(nèi)骨骼的形成。發(fā)現(xiàn)CaPG基質(zhì)能夠在體內(nèi)進(jìn)行再吸收和生物降解，該團(tuán)隊(duì)稱這對(duì)于合成材料來(lái)說(shuō)是罕見的，并表明有望成為可吸收的骨誘導(dǎo)基質(zhì)。

此外，該團(tuán)隊(duì)在研究期間觀察到?jīng)]有對(duì)重要器官造成有害影響。展望未來(lái)，研究人員將進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)，增強(qiáng)3D打印CaPG基質(zhì)的機(jī)械性能，并測(cè)試其在體內(nèi)的長(zhǎng)期安全性。