3D打印梯度孔隙支架用于骨軟骨組織工程

供稿：張維東

在美國(guó)，約有1/5的成年人會(huì)患有不同程度的軟骨及骨軟骨疾病。目前臨床主要治療手段是手術(shù)修復(fù)或自體/同種異體軟骨移植。但這些治療手段均存在著一定的局限性，表現(xiàn)為移植后再退變、移植物與本體組織整合不佳及缺乏足夠的力學(xué)強(qiáng)度。軟骨無(wú)血液供應(yīng)且組織中細(xì)胞含量低，這直接決定了軟骨損傷后自我修復(fù)能力欠佳。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，近幾年來(lái)已開(kāi)發(fā)出多種支架材料及技術(shù)手段用于骨軟骨組織工程的構(gòu)建。構(gòu)建骨軟骨仿生支架需滿足較好的力學(xué)承載性、應(yīng)力分散性及組織相容性。其中，如何在同一仿生支架結(jié)構(gòu)中通過(guò)材料性能梯度變化，達(dá)到應(yīng)力分散仍是一個(gè)大的挑戰(zhàn)。近期，來(lái)自美國(guó)萊斯大學(xué)的米克斯教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)多材料同步3D打印系統(tǒng)，以PCL-HA（羥磷灰石）為材料，構(gòu)建出材料孔徑及組份梯度變化的支架，以模擬本體骨軟骨組織孔隙形態(tài)及復(fù)雜組成。

研究者分別以PCL、PCL-HA15（85% PCL & 15% HA）、PCL-HA30（70% PCL & 15% HA）為材料，逐層打印出單一孔徑的支架（Fig. 1a, b）。通過(guò)調(diào)整平行纖維的中心間距，研究者構(gòu)建出三種不同孔隙大小支架，分別為0.2 mm（小孔徑）、0.5 mm（中孔徑）、0.9 mm （大孔徑）（Fig. 1c）。同時(shí)也設(shè)計(jì)出材料組成及孔隙大小均梯度改變的漸變支架（Fig. 1d）。

Fig. 1. Three-dimensional printing schematic for the fabrication of PCL and PCL-HA constructs.

通過(guò)micro-CT進(jìn)一步直觀比較三組材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。Fig. 2A-C：自上而下觀察PCL（小孔徑）、HA15（中孔徑）、HA30(大孔徑)三種支架；Fig. 2D-F：側(cè)面觀察上述三種支架特征；Fig. 2G-I：側(cè)面觀察上述三種支架材料孔徑大小呈梯度變化，F(xiàn)ig. 2J可以觀察到材料組成及孔徑大小均呈梯度變化。

Fig. 2. Representative micro-CT images of all uniform and gradient scaffolds included in the study.

在此基礎(chǔ)上，研究者比較材料孔徑大小及組份變化時(shí)壓縮模量及屈服應(yīng)力的改變。Fig. 3A, B 數(shù)據(jù)表明小孔徑材料（0.2 mm）的壓縮模量及屈服應(yīng)力均高于其他兩組孔徑材料。而中等孔徑及大孔徑材料的壓縮模量及屈服應(yīng)力無(wú)顯著差異。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)材料組份改變對(duì)其壓縮模量及屈服應(yīng)力無(wú)顯著影響。

Fig. 3. Compressive modulus and yield stress as the function of pore morphology for all compositions examined (PCL-only, HA15, HA30, Dual gradient).

研究者進(jìn)一步比較支架材料孔隙大小與其壓縮模量/屈服應(yīng)力之間的線性關(guān)系。Fig. 4A, B 數(shù)據(jù)表明隨著材料孔隙縮小，材料的壓縮模量/屈服應(yīng)力增大，變量之間存在著反比例線性關(guān)系。

Fig. 4. Compressive modulusand yield stress as the continuous function of pre-compression porosity for alluniform (0.2 mm, 0.5 mm, 0.9 mm) scaffolds of each composition.

那么，組織工程支架的構(gòu)建最關(guān)鍵的是其力學(xué)性能達(dá)到本體組織水平。在本研究中，作者通過(guò)壓力負(fù)荷下材料張力變化進(jìn)行評(píng)估。Fig. 5所示為雙梯度變化支架20%應(yīng)力壓縮前（Fig. 5A）及壓縮后（Fig. 5B）的micro-CT圖像。其中最上一層為純PCL/0.2 mm孔隙支架，中間層為含15%HA/0.5mm孔隙支架、底層為含30%HA/0.9 mm孔隙支架。比較發(fā)現(xiàn)，孔隙越大則支架材料的張力越大，形變?cè)酱?，而與材料中HA含量無(wú)關(guān)。

Fig. 5. Representative micro-CT images of dual gradient scaffold (top section – PCL/0.2 mm pores, middle section – HA15/0.5 mmpores, bottom section – HA30/0.9 mm pores) A) before and B) after compressionto 20% strain and subsequent recovery.

總體而言，研究者通過(guò)雙梯度（孔隙及HA含量）漸變支架的研究發(fā)現(xiàn)3D打印支架材料的孔隙大小是決定其壓縮模量關(guān)鍵，而與支架材料中HA含量無(wú)顯著關(guān)系。

該研究由美國(guó)萊斯大學(xué)的米克斯教授團(tuán)隊(duì)完成，于2019年5月發(fā)表于Acta Biomaterialia。


審校：袁章琴
編輯：王佳媛

論文信息：
Sean M. Bittner, Brandon T. Smith, Luis Diaz-Gomez, Carrigan D. Hudgins, Anthony J. Melchiorri, David W. Scott, John P. Fisher, Antonios G. Mikos*. Acta Biomaterialia 2019, 90: 37-48.