香港城市大學(xué)開發(fā)出骨修復(fù)智能支架，展現(xiàn)3D/4D 生物壓電打印新潛力

導(dǎo)讀：近年來，生物工程與3D打印的結(jié)合給醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來了許多突破性的進(jìn)展，這些技術(shù)在骨再生領(lǐng)域同樣展現(xiàn)出來巨大的應(yīng)用潛力。人體骨骼具有一種獨(dú)特的特性，即壓電性，使它們?cè)谑艿綁嚎s或拉伸時(shí)能夠產(chǎn)生電荷。壓電現(xiàn)象對(duì)于骨修復(fù)、促進(jìn)細(xì)胞代謝和新骨形成起著至關(guān)重要的作用。然而，目前的增材制造支架主要側(cè)重于仿生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和力學(xué)微環(huán)境的重建，而忽視了骨再生中至關(guān)重要的電微環(huán)境（EM）。

2023年7月26日，南極熊獲悉，近日發(fā)表在《International Journal of ExtremeManufacturing》期刊上的一項(xiàng)開創(chuàng)性研究揭示了 3D/4D 打印生物壓電支架的前景，為下一代骨組織工程提供了一種變革性方法。相關(guān)論文題為“3D/4D printed bio-piezoelectric smart scaffolds for next-generationbone tissue engineering/用于下一代骨組織工程的 3D/4D 打印生物壓電智能支架”，由來自香港城市大學(xué)的Annan Chen、Jian Lu等人聯(lián)合撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/acd88f

人體骨骼中的壓電一直是骨骼再生的成熟機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)為研究人員探索無鉛生物壓電材料開辟了新途徑，該材料具有優(yōu)異的可加工性、生物相容性和多細(xì)胞誘導(dǎo)性。由這些材料衍生的生物壓電支架表現(xiàn)出誘導(dǎo)骨細(xì)胞分化、促進(jìn)血管細(xì)胞募集、甚至有助于神經(jīng)細(xì)胞修復(fù)的優(yōu)異能力。該支架最令人印象深刻的特點(diǎn)在于其微創(chuàng)或無創(chuàng)重建策略，允許使用可編程超聲或磁治療來調(diào)節(jié)時(shí)間線、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度的體內(nèi)電刺激。

△論文概述通過 DIW、FDM、BJ、SLS、DLP 和 TPP 等 3D/4D 打印方法創(chuàng)建的智能生物壓電支架作為骨組織工程有前途的替代方案的潛力。（照片來源：Annan Chen 等人 2023 Int. J. Extrem. Manuf.）

3D/4D 打印技術(shù)的重大進(jìn)步進(jìn)一步增強(qiáng)了生物壓電支架的潛力。這種 4D 打印涉及創(chuàng)建結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出響應(yīng)外部刺激的時(shí)間依賴性功能轉(zhuǎn)移行為。因此，4D功能轉(zhuǎn)換生物壓電支架提供了可編程的電生理微環(huán)境，可促進(jìn)組織再生。

盡管這項(xiàng)技術(shù)前景廣闊，但當(dāng)前的 3D/4D 打印能力與生物壓電支架的臨床要求之間仍然存在顯著差距。它的發(fā)展需要材料科學(xué)、機(jī)械工程和生物工程等多學(xué)科研究的共同努力。來自骨科、口腔醫(yī)學(xué)和腫瘤學(xué)等各個(gè)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的專家的合作研究已經(jīng)在進(jìn)行中，以釋放這些智能生物壓電支架的全部潛力。

△熔融沉積建模 (FDM) 原理圖和其他潛在的生物壓電支架 4D 打印策略（照片來源：Annan Chen 等人 2023 Int. J. Extrem. Manuf.）

該研究的第一作者、香港城市大學(xué)博士后研究員陳安南 (Annan Chen) 表示：“原則上，這開創(chuàng)了智能生物壓電支架的設(shè)計(jì)和制造的新示范，該支架通過模仿組織關(guān)鍵的電微環(huán)境來促進(jìn)骨修復(fù)。”

香港城市大學(xué)著名專家陸健教授也對(duì)這一突破的革命性影響表示認(rèn)可：“通過多學(xué)科研究的協(xié)作努力，3D/4D打印有望很快充分發(fā)揮其在為下一代組織工程創(chuàng)建智能生物壓電支架方面的潛力。此外，我們還可以從智能制造、仿生醫(yī)學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等一些前沿技術(shù)中汲取靈感，進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)的臨床應(yīng)用。”

開創(chuàng)骨組織工程新時(shí)代

通過有效彌合當(dāng)前能力和臨床需求之間的差距，我們可以預(yù)見醫(yī)學(xué)治療的新時(shí)代，能夠?yàn)榛颊咛峁└�好的的骨修�?fù)和恢復(fù)改善方案，最終改變?cè)偕�醫(yī)學(xué)的格局。借助這些智能支架，患者可以期待個(gè)性化且高效的骨修復(fù)解決方案，從而迎來醫(yī)療技術(shù)變革的新時(shí)代。

生物工程、3D 打印和各類醫(yī)學(xué)專家之間的合作為更光明的未來鋪平了道路，使骨再生變得更加高效、易于實(shí)現(xiàn)且以患者為中心。隨著技術(shù)的進(jìn)步和研究人員不斷探索 3D/4D 打印生物壓電支架的潛力，隨著我們接近骨組織工程突破性時(shí)代的尖端，未來看起來越來越有希望。