美國(guó)密歇根州立大學(xué)：3D打印不透射線復(fù)合支架

來源： EngineeringForLife

可植入的生物醫(yī)學(xué)組織工程支架（TES）在臨床中的使用正迅速增長(zhǎng)。通常，TES被設(shè)計(jì)用于在再生醫(yī)學(xué)中執(zhí)行關(guān)鍵功能，包括提供機(jī)械支持、輸送治療分子和創(chuàng)建保護(hù)屏障。目前，已在臨床上批準(zhǔn)用于這些目的的TES包括可降解聚合物疝氣修補(bǔ)片和半月板替代品等設(shè)備。隨著TES在臨床上得到認(rèn)可，當(dāng)前趨勢(shì)是將這些工具用于個(gè)性化醫(yī)學(xué)。這在骨科設(shè)備方面得到了最成功的證明，這些設(shè)備可以根據(jù)需要進(jìn)行3D打印，通�？梢栽谥委燑c(diǎn)進(jìn)行，用于修復(fù)創(chuàng)傷后的骨結(jié)構(gòu)。主要使用聚己內(nèi)酯（PCL）作為骨科TES的材料，因?yàn)樗�具有生物相容性、機(jī)械強(qiáng)度高以及中等降解速率（3-4年）。在3D打印個(gè)性化TES的臨床前研究中，通常使用熔融絲制造（FFF）進(jìn)行設(shè)備生產(chǎn)，因?yàn)镕FF具有易于獲取、低成本且可以用于PCL的3D打印。然而，盡管PCL與FFF打印兼容，但文獻(xiàn)中提供的打印參數(shù)有限，不足以充分考慮模型的幾何特征。

來自美國(guó)密歇根州立大學(xué)的Erik M. Shapiro團(tuán)隊(duì)開發(fā)并應(yīng)用了一種放射性不透明的氧化鉍（Bi2O3）摻雜聚己內(nèi)酯（PCL）復(fù)合材料，以實(shí)現(xiàn)使用診斷性X射線技術(shù)，特別是光子計(jì)數(shù)X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（SPCCT）對(duì)全面的組織工程支架（TES）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。首先制備具有均勻分散的Bi2O3納米顆粒（0.8至11.7 wt%）的PCL絲。然后使用復(fù)合絲進(jìn)行3D打印TES，并優(yōu)化打印參數(shù)以適應(yīng)小特征和嚴(yán)重懸挑幾何形狀。通過微型計(jì)算機(jī)斷層掃描（µCT）、拉伸測(cè)試和細(xì)胞相容性研究對(duì)這些復(fù)合TES進(jìn)行表征，其中2 wt%的Bi2O3納米顆粒提供了改善的拉伸性能，與純PCL相當(dāng)?shù)募?xì)胞相容性和出色的放射學(xué)可區(qū)分性。通過在小鼠模型中使用µCT對(duì)摻雜有4和7 wt%的Bi2O3 PCL TES進(jìn)行成像，在體內(nèi)與體外測(cè)量結(jié)果顯示出良好的一致性，從而驗(yàn)證了放射學(xué)性能。隨后，使用復(fù)合絲進(jìn)行3D打印CT圖像導(dǎo)出的豬半月板，并在相應(yīng)的離體豬腿中重新植入。通過臨床CT對(duì)離體豬腿進(jìn)行再成像，可以輕松確定設(shè)備位置和對(duì)齊。最后，SPCCT這一新興技術(shù)通過顏色K邊成像明確地在體內(nèi)區(qū)分植入的半月板。相關(guān)工作以題為“Device Design and Advanced Computed Tomography of 3D Printed Radiopaque Composite Scaffolds and Meniscus”的文章發(fā)表在2024年05月17日的國(guó)際著名期刊《Advanced Functional Materials》。

1.創(chuàng)新型研究?jī)?nèi)容
本研究將個(gè)性化TES與先進(jìn)的臨床監(jiān)測(cè)概念相結(jié)合，采用SPCCT實(shí)現(xiàn)設(shè)備成像辨識(shí)和監(jiān)測(cè)的突破。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將Bi2O3納米顆粒與PCL混合，并擠出成絲材料用于FFF，從而實(shí)現(xiàn)高度放射性不透明的TES的制造。低Bi2O3納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3D打印支架具有良好的生物相容性，臨床尺寸的設(shè)備在成像上表現(xiàn)出優(yōu)異的放射性，其對(duì)比噪聲比能夠使其在原位與周圍組織明顯區(qū)分開來。為了說明在植入后監(jiān)測(cè)個(gè)性化TES的最終目標(biāo)，本文借鑒了最近關(guān)于制造基于PCL的半月板的工作，以及商業(yè)上可獲得的PCL半月板替代品的情況。首先，通過豬腿的CT掃描得出真實(shí)半月板的3D模型，使用4 wt%的Bi2O3絲材料3D打印出放射性類似的半月板TES。在膝關(guān)節(jié)植入后，CT成像可以精確區(qū)分半月板的位置。對(duì)豬腿進(jìn)行SPCCT成像進(jìn)一步增強(qiáng)了分割，并實(shí)現(xiàn)了含鉍體素的區(qū)分。

【均勻的放射性不透明絲材料】
原位和體內(nèi)監(jiān)測(cè)要求TES在整個(gè)結(jié)構(gòu)中具有均勻的放射性不透明性，確保觀察到的任何可檢測(cè)到的結(jié)構(gòu)變化都是設(shè)備的物理變化結(jié)果。為創(chuàng)建用于3D打印的放射性不透明絲材料，將Bi2O3納米顆粒（216±37 nm，圖1b、c）與Facilan PCL 100絲材料按名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5-15wt%（圖1a）混合。電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）顯示，制備的絲材料中Bi2O3的實(shí)際含量為0.2至11.7wt%。這種輕微偏差與其他研究中觀察到的情況相似，可能是由于混合過程造成的。通過掃描電子顯微鏡的背散射成像驗(yàn)證了制備的絲材料中納米顆粒的均勻性。由于Bi2O3納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與X射線衰減呈線性相關(guān)關(guān)系，制備均勻的絲材料直接影響TES的放射性不透明性以及植入后的監(jiān)測(cè)。在將絲材料用于3D打印之前，必須驗(yàn)證納米顆粒在絲材料中的分布情況。在圖1d中可以看到，最初的絲材料在橫截面上具有不均勻的納米顆粒分布。當(dāng)形成了這種殼層結(jié)構(gòu)的絲材料（圖1a.4）后，在隨后的打印過程中仍然保持不變。為了消除批次之間的不均勻性，每個(gè)批次的絲材料至少經(jīng)過最終擠出工藝（圖1a.4）兩次。

圖1 通過聚己內(nèi)酯（PCL）和氧化鉍（Bi2O3）納米顆粒（NPs）的復(fù)合材料制備了均勻的放射性不透明絲

【優(yōu)化使用PCL進(jìn)行3D打印TES的過程】
PCL是一種對(duì)醫(yī)療器械具有許多理想特性的生物相容性聚合物。雖然它適用于FFF打印，但文獻(xiàn)中提供的打印參數(shù)有限。材料性質(zhì)，如熔點(diǎn)和熱傳導(dǎo)，是以高分辨率打印TES的重要因素。PCL不僅由于與其他聚酯相比較低的熔點(diǎn)而難以打印，還必須考慮到添加納米顆粒后熔融特性的變化。使用PCL絲進(jìn)行的初始3D打印顯示，沉積的珠狀物散熱不足導(dǎo)致特征不穩(wěn)定和打印失敗。為了解純PCL和復(fù)合絲的熔融和固化特性，使用差示掃描量熱法（DSC）。發(fā)現(xiàn)純PCL（0 wt% Bi2O3）的結(jié)晶溫度（Tc）為29℃，非常接近室溫（圖2a）。添加Bi2O3納米顆粒提高了所有復(fù)合材料的Tc，從質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.8 wt%增加到11.7 wt%，范圍為33℃至35℃。相比之下，復(fù)合材料和純PCL的熔融溫度均與已發(fā)表的文獻(xiàn)值60℃一致。

為了解決最不利情況下（最低Tc）的3D打印問題，本文選擇了純PCL絲進(jìn)行3D打印優(yōu)化，并使用標(biāo)準(zhǔn)的Benchy 3D模型進(jìn)行測(cè)試（圖2b-e）。在測(cè)試過程中，鑒于珠狀物的長(zhǎng)時(shí)間固化，確定了兩種非常難以進(jìn)行3D打印的情況：不受支撐的懸挑部分（<55°與水平面夾角），以及打印時(shí)間較短的層（<60秒）。噴嘴直徑和溫度在所有情況下保持不變，而打印移動(dòng)的速度、環(huán)境溫度和使用支撐物對(duì)其他情況的成功至關(guān)重要。針對(duì)特定噴嘴溫度的打印移動(dòng)速度優(yōu)化取自O(shè)rtega等人的研究結(jié)果。此外，在冷房間（環(huán)境溫度為4℃）中進(jìn)行打印時(shí)，增加床溫可以提高零件與打印床的粘附性。進(jìn)一步增加床溫會(huì)導(dǎo)致底部打印變形。

圖2 聚己內(nèi)酯（PCL）打印的優(yōu)化依賴于熱通量的控制

【放射性透明的TES的抗拉性能】
本文采用機(jī)械測(cè)試方法來研究Bi2O3質(zhì)量百分比對(duì)打印的TES的抗拉性能的影響。用于評(píng)估打印后TES性能的參考抗拉樣品如圖3c（測(cè)試前）和d（測(cè)試后）所示�？估瓨悠返脑O(shè)計(jì)代表具有40%直線填充的TES結(jié)構(gòu)�？估瓨悠吠ǔＴ趭A持處附近破壞，盡管有些樣品在中心附近破壞（圖3d）。統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著增加了表觀屈服應(yīng)力和表觀彈性模量對(duì)于低質(zhì)量百分比復(fù)合材料（≤2 wt%）。性能的最大增加出現(xiàn)在0.8 wt% Bi2O3（表觀屈服應(yīng)力=961±28 kPa，表觀彈性模量=1.86±0.005 kPa），分別比純PCL增加了32%和55%（圖3a）。與純PCL相比，任何復(fù)合材料都沒有改變屈服應(yīng)變。

圖3 添加放射性不透明的氧化鉍（Bi2O3）納米顆粒和熔融加工會(huì)影響聚己內(nèi)酯（PCL）絲的拉伸性能

【放射性透明復(fù)合材料的生物相容性】
本文通過進(jìn)行為期7天的研究評(píng)估了Bi2O3組成對(duì)成纖維細(xì)胞的附著、生長(zhǎng)和代謝活性的初始影響（圖4）。當(dāng)3T3成纖維細(xì)胞在3D打印支架上（0-11.7 wt%）培養(yǎng)7天時(shí)，細(xì)胞在所有基質(zhì)上都有增殖。初始細(xì)胞附著在0 wt% Bi2O3時(shí)最低（16.8±13%），在0.8 wt%時(shí)最高（54.1±23%）。初始細(xì)胞種植的高偏差可能是由于將細(xì)胞種植到高多孔性的3D結(jié)構(gòu)上的困難所致。在第7天，細(xì)胞數(shù)量在不同NP組成方面沒有顯著變化。純PCL（0 wt%）顯示了最大的細(xì)胞增殖，可能是由于初始細(xì)胞種植量較低。代謝活性的結(jié)果類似，隨著細(xì)胞增殖，從第1天到第7天有顯著增加。盡管在早期時(shí)間點(diǎn)，2 wt%和6 wt%的復(fù)合材料的代謝活性較純PCL降低，但隨著Bi2O3質(zhì)量百分比的增加，并沒有明顯的代謝減少趨勢(shì)。總體而言，這些結(jié)果表明，在最大測(cè)試的11.7 wt% Bi2O3負(fù)載下，對(duì)早期細(xì)胞增殖幾乎沒有影響。

圖4 在培養(yǎng)過程中， Bi2O3納米顆粒和PCL的復(fù)合材料在7天內(nèi)表現(xiàn)出了優(yōu)異的生物相容性

【放射性透明復(fù)合材料的X射線衰減性能】
確定最佳Bi2O3含量范圍的第三個(gè)條件是能夠監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的X射線透射性能。為此，通過在模擬組織的水環(huán)境中使用微CT成像來量化絲材的X射線強(qiáng)度，本文表征了Bi2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)與放射性的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)增加Bi2O3與信號(hào)強(qiáng)度呈直接比例關(guān)系，比例為269 HU/wt%（圖5a）。這比Arnold等人的研究發(fā)現(xiàn)更高，他們報(bào)告了3D打印結(jié)構(gòu)的放射性隨Bi2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加的比例為196 HU/wt%。然而，Arnold等人使用的掃描能量為120 keV，而本研究使用的是90 keV能量，這是臨床前體內(nèi)CT的標(biāo)準(zhǔn)掃描能量。隨著X射線掃描能量的增加，材料的X射線衰減通常會(huì)減小，除非在材料特定的衰減峰值（稱為K邊）附近。Bismuth的K邊緣能量為91 keV，掃描能量接近這個(gè)峰值可以解釋本研究中報(bào)告的較高衰減率。

為了驗(yàn)證在體外計(jì)算得出的衰減與體內(nèi)研究的相關(guān)性，將含有4.2和7 wt% Bi2O3納米顆粒的TES植入到小鼠模型中進(jìn)行離體成像（圖5c-e）。TES與周圍的肌肉和軟組織明顯區(qū)分開來，并且其信號(hào)范圍與小鼠骨骼相同。為了使體外和體內(nèi)掃描之間能夠進(jìn)行比較，將放射性透明復(fù)合材料的信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)比噪聲比（CNR）。將原始信號(hào)轉(zhuǎn)換為CNR是有用的，因?yàn)樗�考慮了周圍組織的信號(hào)以及TES的信號(hào)。

圖5 使用µCT，在體外水環(huán)境和離體小鼠模型中測(cè)量了絲材料的放射性

【具有SPCCT放射性透明TES的臨床潛力】
基于與人類半月板相似的尺度，本文選擇了離體豬半月板進(jìn)行演示。為了制作半月板TES，將死后的豬腿進(jìn)行臨床CT掃描。提取了內(nèi)側(cè)半月板，并將其轉(zhuǎn)換為“特定患者”的STL模型。圖6a，b顯示了一個(gè)這樣的豬腿模型和相應(yīng)的半月板重建。然后，通過手術(shù)提取半月板，準(zhǔn)備將3D打印的半月板植入到豬腿中。兩個(gè)半月板經(jīng)過3D打印后重新植入到它們?cè)�本衍生的腿部。一個(gè)半月板被以良好的對(duì)齊方式植入，另一個(gè)則以錯(cuò)誤的方向植入。圖6d和e展示了通過臨床CT輕松識(shí)別復(fù)合TES以及相應(yīng)的對(duì)齊/錯(cuò)位情況。在臨床中，對(duì)半月板再撕裂或植入物失效的不良事件很難進(jìn)行診斷。使用MRI進(jìn)行診斷很困難，通常結(jié)果不確定，因?yàn)轳：劢M織和更高的血管化導(dǎo)致了高強(qiáng)度的T1和T2信號(hào)變化，因此需要侵入性手術(shù)技術(shù)。本文展示了如何利用放射性透明植入物的非侵入性CT進(jìn)行增強(qiáng)診斷。

圖6 在離體豬模型中展示了利用放射性不透明的組織工程支架（PCL + 4wt% Bi2O3）進(jìn)行個(gè)性化醫(yī)學(xué)的潛力

2.總結(jié)與展望
朝著個(gè)性化醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)制造生物醫(yī)學(xué)植入物的發(fā)展趨勢(shì)是3D打印生物醫(yī)學(xué)器件的關(guān)鍵推動(dòng)力。理想情況下，這些器件還應(yīng)具備通過臨床成像模式（如CT）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的能力。本文通過制備和3D打印放射性不透明的PCL絲材料并摻入Bi2O3納米顆粒，向?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)邁出了重要的一步。在這個(gè)過程中，還提出了一種針對(duì)PCL和復(fù)合材料低重結(jié)晶溫度的PCL TES（組織工程支架）的FFF 3D打印優(yōu)化方法。所有的納米顆粒復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和生物相容性。通過微型計(jì)算機(jī)斷層掃描（µCT）成像顯示，每增加1 wt%的Bi2O3， CNR增加4.1。在超過2.2 wt%的Bi2O3含量下，復(fù)合材料在放射學(xué)上能夠與軟組織區(qū)分開來，其CNR值與小鼠骨骼范圍相當(dāng)。

此外，放射性不透明的3D打印TES在離體骨科應(yīng)用中展示了臨床潛力。用放射性不透明的復(fù)合材料3D打印出具有解剖準(zhǔn)確性的豬半月板，一旦植入，可以輕松識(shí)別設(shè)備對(duì)齊，而納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低（4 wt%的Bi2O3）。這些復(fù)合TES不僅可以通過傳統(tǒng)CT進(jìn)行區(qū)分，而且還非常適合通過顏色K邊緣成像的新興臨床成像模式SPCCT。通過SPCCT成像后，根據(jù)鉍的獨(dú)特X射線衰減特性，可以將放射性不透明的TES從生物結(jié)構(gòu)中分割出來。所有這些結(jié)果表明，在3D打印的復(fù)合TES中，以低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1至5.5 wt%）使用Bi2O3納米顆粒作為放射性添加劑具有出色的性能，可用于縱向監(jiān)測(cè)臨床前和臨床設(shè)備。

文章來源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202404860