稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒(UCNPs)用于生物體內(nèi)的無創(chuàng)3D打印

來源：Lanthanides and Biomass

在醫(yī)療方面，某些疾病需在患者體內(nèi)植入生物醫(yī)療材料。但此類裝置的植入過程存在手術(shù)并發(fā)癥和感染的風(fēng)險(xiǎn)。在本篇文章中，學(xué)者開發(fā)了一種上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNP）輔助的3D生物打印方法，以實(shí)現(xiàn)無需侵入性手術(shù)的體內(nèi)成型。合理設(shè)計(jì)的UCNP可將穿透皮膚組織的近紅外(NIR)光子轉(zhuǎn)換為藍(lán)紫光發(fā)射（300-500nm），在體內(nèi)誘導(dǎo)單體聚合固化。使用熔融沉積建模協(xié)調(diào)框架，近紅外激光的精確預(yù)定軌跡能夠制造具有定制形狀的植入式醫(yī)療設(shè)備。成功實(shí)現(xiàn)了無創(chuàng)骨折固定支架的3D生物打印，從而展示了一種用于生物醫(yī)學(xué)治療的全新體內(nèi)成型方法。

這是一種基于ucnps輔助聚合過程的無創(chuàng)三維生物打印骨折固定系統(tǒng)，如圖1所示。采用三維坐標(biāo)定位框架固定NIR連續(xù)波（CW）激光器，對(duì)三維支架模型采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）精確控制NIR的運(yùn)動(dòng)。利用UCNPs作為內(nèi)置固化光源，生物相容性水凝膠單體，如明膠甲基丙烯?；zMA）和丙烯單體，可以在NIR輻照下有效聚合。在這項(xiàng)研究中，一個(gè)含有UCNPs作為生物墨水的單體溶液在體內(nèi)被非侵入性地打印成一個(gè)定制的形狀。此研究設(shè)計(jì)了核殼結(jié)構(gòu)稀土納米顆粒（NaYF4：Tm3+@NaYbF4@NaYF4）來調(diào)制藍(lán)紫光發(fā)射，實(shí)現(xiàn)高效的光聚合，如圖2所示。

所設(shè)計(jì)的UCNPs的不同核殼結(jié)構(gòu)的發(fā)光性能和光固化效果如圖3所示，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了UCNPs。學(xué)者還研究了UCNPs在光引發(fā)劑吸收范圍內(nèi)的PL性能（圖3d）。發(fā)現(xiàn)光引發(fā)劑在藍(lán)紫范圍內(nèi)表現(xiàn)出吸收，這與所得到的UCNPs的PL光譜高度重疊。NIR誘導(dǎo)的UCNPs的光聚合性能如圖3e所示。在NIR CW激光激發(fā)下，相應(yīng)的UCNPs產(chǎn)生的藍(lán)紫光可以被光引發(fā)劑吸收，產(chǎn)生自由基，促進(jìn)單體聚合。所探索的生物油墨由樹脂單體（凝膠MA、丙烯），光引發(fā)劑，以及用于NIR三維光固化的UCNPs組成。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)光固化率隨曝光時(shí)間和NIR光功率的增加而增加。當(dāng)NIR激光器的功率超過2.5W時(shí)，在輻照后10 s內(nèi)固化率達(dá)到最大值（圖3f）。因此，設(shè)計(jì)的UCNPs有效地啟動(dòng)了NIR誘導(dǎo)的聚合，并且減少了紫外線在體內(nèi)塑造過程中對(duì)細(xì)胞造成的損傷。

該體系能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜三維聚合物結(jié)構(gòu)的形成。首先，利用NX10.0設(shè)計(jì)了一個(gè)三維模型，并通過Cura軟件和控制計(jì)算機(jī)定義了激光器的運(yùn)動(dòng)路徑。接下來，將相應(yīng)的生物墨水放置在坐標(biāo)系原點(diǎn)的玻璃皿中。在計(jì)算機(jī)上使用Repetier軟件控制激光運(yùn)動(dòng)路徑，完成不同模型的打印。

使用該方法可打印出適合不同骨折的固定支架，如斜向骨折（圖4a)、粉碎性骨折（圖(4b)。在這里，骨骼可以在骨折部位原位準(zhǔn)確形成，并完美地貼合到骨表面，從而確保為骨折修復(fù)過程提供更穩(wěn)定的支撐。此外，學(xué)者使用ucnps輔助的3D生物打印技術(shù)，無創(chuàng)制備出定制的固定支架。首先，利用計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）對(duì)大鼠進(jìn)行三維骨骼重建，獲得骨折位置的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)。隨后，根據(jù)骨折條件設(shè)計(jì)了支架的三維模型。實(shí)驗(yàn)室大鼠體內(nèi)骨折的圖像如圖4c所示。隨后，將生物墨水溶液注射到實(shí)驗(yàn)室大鼠的骨折部位（圖4d）。在計(jì)算機(jī)控制下，NIR沿著計(jì)劃的路徑形成生物墨溶液（圖4e）。使得支架在體內(nèi)無創(chuàng)固定在骨折部位（圖4f）。這表明，ucnps輔助的無創(chuàng)體內(nèi)NIR 3D生物打印技術(shù)具有在原位制備復(fù)雜組織用于器官重建的潛力，且醫(yī)源性損傷最小。

本研究中選擇的水凝膠材料具有生物相容性，已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。細(xì)胞相對(duì)活力實(shí)驗(yàn)表明，生物墨水具有良好的細(xì)胞相容性，即使使用不同濃度的生物墨水，細(xì)胞活力也沒有顯著下降。

總之，基于ucnps輔助的NIR聚合過程，學(xué)者開發(fā)了一種使用協(xié)調(diào)框架的無創(chuàng)三維生物打印成型方法。合理設(shè)計(jì)了核殼UCNPs，在光引發(fā)劑的吸收光譜范圍內(nèi)提供高效的藍(lán)紫發(fā)射。利用協(xié)調(diào)定位框架，實(shí)現(xiàn)NIR激光沿預(yù)定軌跡的精確運(yùn)動(dòng)，基于給定的三維模型制作物體。因此，定制支架可以在局部骨折部位皮下注射的生物墨水在體內(nèi)無創(chuàng)打印，用于骨折修復(fù)，顯示了在臨床或醫(yī)學(xué)研究中的潛在應(yīng)用。