從廢棄動物骨骼中提取生物相容性納米墨水的3D打印

供稿人：張源、高琳
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　
來源：中國機械工程學會增材制造技術(shù)（3D打�。┓謺�

墨水直寫（DIW）增材制造是一種用于組織工程修復和再生變形或缺失的器官或組織的理想技術(shù)，其挑戰(zhàn)在于在不堵塞噴嘴的情況下能夠合成結(jié)構(gòu)更好的“墨水”。骨替代支架目前依賴于陶瓷無機材料(羥基磷灰石(HA))來增強聚合物基質(zhì)。一塊天然的人骨含有50−70%重量百分比的HA，實現(xiàn)人工骨如此高的無機負載量仍然是一個重大挑戰(zhàn)。此外，目前增強的無機顆粒是由非常復雜的化學合成方法制成的，所生產(chǎn)的材料可能有毒，導致身體排斥反應，可能需要二次手術(shù)修復。

近日，印度理工學院卡拉格普爾分校的研究團隊報告了一種從廢舊雞骨頭中合成生物墨水的技術(shù)，并展示了其在醫(yī)療支架3D打印中的潛能。

圖1 雞骨提取鈣亞微米顆粒、墨水制備及3D打印復雜結(jié)構(gòu)示意圖

圖1a為從骨骼中提取鈣亞微米顆粒的過程。收集骨骼煮熟，浸泡在過氧化氫中，去除附著在其上的肉并在空氣中晾干，最后用檸檬酸釋放膠原基質(zhì)中的無機顆粒。圖1b為墨水制備過程。使用雙蒸餾水作為溶劑來制備墨水溶液，在水中加入5wt%的聚乙烯醇（PVA）作為粘合劑，將溶液脫氣3小時后加入10wt%甘油和5wt%聚乙二醇（PEG）400。圖1c為使用Hyrel Engine HR打印機以0.9mm的優(yōu)化噴嘴直徑打印樣品的過程。取溶液5 mL，加入骨粉（～3.7 g），制備印刷用油墨。在用刮刀適當攪拌2小時后，得到厚而粘稠的漿液，然后將這種墨水裝入注射器中，通過噴嘴擠出進行打印，打印層厚度為0.5mm、橫向滑動速度200mm/s、體積流速為90mm3/min。

骨頭通常是受壓縮載荷的，因此對使用該生物墨水打印的圓柱形結(jié)構(gòu)進行了壓縮試驗。應力-應變曲線圖顯示抗壓強度可以達到1.8MPa。在壓縮過程中，圓柱體變成了硬幣的形狀，表面沒有明顯的裂縫，這表明了印刷結(jié)構(gòu)的延展性。

根據(jù)ASTM C1161-13規(guī)定尺寸打印樣品并對其做三點彎曲試驗。觀察到試樣沒有斷裂。使用彎矩方程計算樣品的抗彎強度，發(fā)現(xiàn)抗彎強度為2.050616 MPa，最大撓度為8.3116 mm。由于試樣可以承受巨大的彎曲而不發(fā)生斷裂，它可以應用于承載載荷，如牙科應用中的牙橋。

對打印材料的膨脹特性進行了評估，以檢查其在植入部位吸收體液的能力。結(jié)果表明，打印材料的膨脹率在24小時內(nèi)沒有太大的變化，這有利于支架的體內(nèi)應用。對打印材料的降解率隨時間的變化進行評估。在試驗的最初幾天降解率較高，然后逐漸下降。在本研究中，觀察到降解率在第7天約為10%，說明它可以應用為骨裂縫的填充材料。

圖2 對照組與生物墨水組細胞活性測試

圖2說明生物墨水具有生物相容性。將對照組和生物墨水組培養(yǎng)的細胞生物活性進行比較，并提供了連續(xù)三天的相對值。從第1天開始，可以看到細胞活力超過80%，并且隨著時間的推移不斷增加，進一步說明了所制生物墨水具有良好的生物相容性。

這項研究所制造的生物墨水3D打印的部件顯示出更好的機械性能和生物相容性，對未來的骨移植有應用潛力；使用生物材料或生物衍生材料減少了對化石來源材料的需求，并對環(huán)境產(chǎn)生長期的良好影響；同時也可以極大地幫助目前正在全世界范圍內(nèi)推廣的循環(huán)經(jīng)濟。

參考文獻：
Das M, Jana A, Mishra R, et al. 3D Printing of a Biocompatible Nanoink Derived from Waste Animal Bones[J]. ACS Applied Bio Materials, 2023.