靈感源于雪花的新策略：3D打印精準構(gòu)建仿骨結(jié)構(gòu)梯度支架

來源：Research科學(xué)研究

中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院醫(yī)藥所退行性中心阮長順、潘浩波和哈爾濱工業(yè)大學(xué)富宏亞團隊交叉協(xié)作，提出一種可用于擠出式3D打印的仿“松質(zhì)骨-皮質(zhì)骨”徑向梯度的骨組織工程支架構(gòu)筑策略，將分形學(xué)應(yīng)用于仿生骨支架設(shè)計，克服了傳統(tǒng)擠出式3D打印技術(shù)難以實現(xiàn)徑向梯度孔隙結(jié)構(gòu)的困難，相關(guān)成果以“Fractal Design Boosts Extrusion-Based 3D Printing of Bone-Mimicking Radial-Gradient Scaffolds”為題發(fā)表在Research上。

研究背景
臨界骨缺損作為骨科面臨的主要問題之一嚴重影響人們的健康和生活質(zhì)量。
成年人體骨由高孔隙率的松質(zhì)骨和低孔隙率的密質(zhì)骨組成。
最近Science研究論文表明天然骨組織具有從納米尺度到宏觀尺度至少12級的分形狀組織。

為了模擬天然骨的梯度孔隙結(jié)構(gòu)，包括維諾鑲嵌法（Voronoi tessellation method）、三重周期性極小曲面（TPMS）、拓撲優(yōu)化等計算機輔助設(shè)計（CAD）方法已被用于設(shè)計具有復(fù)雜梯度結(jié)構(gòu)的骨支架模型，但是上述方法所得支架的制造技術(shù)主要為數(shù)字光處理（DLP）、選擇性激光熔融（SLM）、電子束熔融（EBM）和立體光刻（SLA）等，它們多為對生物制造相對不友好的3D打印技術(shù)。

擠出式3D打�。‥xtrusion-Based 3D Printing）因其操作簡單、可用材料范圍廣、易于細胞打印等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用，目前雖有一些文獻通過調(diào)整擠出絲束直徑和分布間距等參數(shù)來設(shè)計具有軸向梯度孔隙的支架，但對于支架沿徑向梯度變化的研究較為缺失。

研究進展
鑒于此，作者受分形理論的啟發(fā)，基于科赫雪花的迭代規(guī)則設(shè)計，定義了分形支架的分形曲線的單元線條。

通過將分形單元線條進行圓周陣列得到分形層，并設(shè)計圓環(huán)層使其在擠出式3D打印堆積成型的過程中與分形層相互支撐（圖1）。

圖1 仿生徑向梯度骨組織工程支架的設(shè)計

此外，為了參數(shù)化構(gòu)建徑向梯度骨組織工程支架，搭建了“設(shè)計-制造”的工作流，并構(gòu)建了關(guān)于支架的孔隙率、機械性能、滲透性能等參數(shù)的性能分析（圖2）。

圖2 設(shè)計-制造工作流

研究結(jié)果表明所構(gòu)建的仿生徑向梯度支架在孔隙結(jié)構(gòu)、滲透性能、機械性能等方面展現(xiàn)優(yōu)異的梯度特征（圖3）。

圖3 擠出式3D打印仿生支架的孔隙結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和滲透性能

未來展望
本文已證實分形設(shè)計策略在擠出式3D打印構(gòu)建仿生梯度多孔支架方面具有可行性。未來，課題組將進一步論證梯度結(jié)構(gòu)在骨修復(fù)過程中的生物學(xué)功能，旨在推動本研究所提出分形設(shè)計策略應(yīng)用于臨床組織工程骨的構(gòu)建應(yīng)用。

此外，還將其擴展應(yīng)用到其他生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，如個性化軟骨、整形修復(fù)等。