基于材料擠出3D打印的生物活性智能支架及其在骨組織工程中的應(yīng)用

來源： Regenovo

基于材料擠出增材制造技術(shù)的智能支架的3D打印為使用微創(chuàng)技術(shù)治療不規(guī)則骨缺損提供了一種新的解決方案。然而，該領(lǐng)域的發(fā)展受到可打印形狀記憶材料及功能性生物醫(yī)學(xué)支架缺乏的限制，這些支架需具備高形狀恢復(fù)性且與人體骨骼特性相匹配。近期，【Additive Manufacturing】發(fā)表了一篇題為“Material extrusion 3D printing of bioactive smart scaffolds for bone tissue engineering”文章，研究提出了一種新型生物活性智能支架的3D打印方法，所構(gòu)建的支架具有可調(diào)結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和形狀記憶功能。

長(zhǎng)絲的制備和表征         
3D打印長(zhǎng)絲的制備過程包括在雙螺桿混合器中共混TPU和PCL聚合物，然后使用臺(tái)式擠出機(jī)將混合物擠出形成長(zhǎng)絲（圖1）。使用數(shù)字卡尺進(jìn)行直徑測(cè)量，并使用掃描電子顯微鏡（SEM）成像技術(shù)驗(yàn)證，結(jié)果顯示可制備出適用于熔融沉積建模（FDM）打印的目標(biāo)直徑（1.75毫米）的長(zhǎng)絲。UC混合物中的PCL具有低熔點(diǎn)（58°C），而TPU具有高擠出熔點(diǎn)（150-220°C）。擠出過程中，加熱器溫度設(shè)定在TPU的加工溫度范圍內(nèi)，以確保適當(dāng)?shù)墓不煳锪鲃?dòng)性。

圖1 開發(fā)用于FDM打印技術(shù)的UC形狀記憶長(zhǎng)絲的實(shí)驗(yàn)步驟示意圖(a)及長(zhǎng)絲圖像(b-d)。

通過XRD、DSC、TGA和傅里葉變換紅外（FTIR）光譜技術(shù)，表征了開發(fā)的UC長(zhǎng)絲的結(jié)晶度、熱性能和混溶性（圖2）。在物理交聯(lián)的形狀記憶聚合物中，形狀固定率主要由結(jié)晶相決定，而形狀恢復(fù)率則受非晶相的影響。因此，結(jié)晶相和非晶相的共存是聚合物材料展現(xiàn)形狀記憶特性的關(guān)鍵因素。XRD結(jié)果表明，所開發(fā)的UC長(zhǎng)絲具有半結(jié)晶特性。在UC聚合物中，分別在21°和24°處檢測(cè)到了兩個(gè)不同的結(jié)晶峰，分別對(duì)應(yīng)PCL聚合物中的（110）和（200）晶面的衍射圖案。此外，對(duì)擠出的長(zhǎng)絲進(jìn)行了DSC分析，溫度范圍為-70°C至150°C，以研究UC共混物的熱性能，包括玻璃化轉(zhuǎn)變、熔融溫度和結(jié)晶行為。TGA分析結(jié)果表明，所開發(fā)的長(zhǎng)絲在300°C以下的溫度下穩(wěn)定，不發(fā)生熱降解，這意味著該長(zhǎng)絲在低于300°C的打印溫度下可以可靠使用，不會(huì)發(fā)生降解或分解。

圖2 長(zhǎng)絲XRD、DSC、TGA和傅里葉變換紅外（FTIR）光譜圖。

UC長(zhǎng)絲的可打印性      
在基于擠出的增材制造（AM）技術(shù)中，3D打印結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與擠出長(zhǎng)絲的粘度及噴嘴擠出的材料量密切相關(guān)。為確保打印質(zhì)量，需精確設(shè)計(jì)打印參數(shù)，特別是噴嘴溫度和擠出乘數(shù)（EM）。不準(zhǔn)確的EM水平會(huì)導(dǎo)致擠出不足、過度擠出和尺寸不準(zhǔn)確等缺陷，影響打印部件的最終質(zhì)量和功能。

研究通過打印20毫米長(zhǎng)的平行單線來評(píng)估UC長(zhǎng)絲的可打印性，同時(shí)變化噴嘴溫度和EM值（圖3）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噴嘴溫度對(duì)打印結(jié)構(gòu)的可擠出性、形狀一致性和穩(wěn)定性有顯著影響。當(dāng)噴嘴溫度為190°C時(shí)，不粘層成為主要問題，導(dǎo)致打印質(zhì)量不佳。提高噴嘴溫度可改善材料熔化和流動(dòng)特性，但過高溫度（如220°C）與高EM水平結(jié)合時(shí)會(huì)導(dǎo)致過度擠出和材料聚集。在210°C下打印的樣品（EM值為0.9和1）以及在200°C下打印的樣品（EM值為1）均表現(xiàn)出良好質(zhì)量。值得注意的是，這些條件下打印的線條支柱直徑無(wú)顯著差異。此外，200°C和210°C下保持EM=1可獲得最佳結(jié)果，產(chǎn)生高質(zhì)量線條。因此，確定210°C為最佳噴嘴溫度，EM值為1為最佳擠出倍增器水平。SEM圖像進(jìn)一步證實(shí)了這些優(yōu)化條件下擠出支柱的高質(zhì)量。

圖3 FDM 打印的 UC 細(xì)絲成平行排列的單線的光學(xué)顯微鏡圖像。

支架制造        
在組織工程中，支架的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造對(duì)確定其功能、機(jī)械性能及醫(yī)療保健應(yīng)用至關(guān)重要。使用 SEM 技術(shù)檢查支架的微觀結(jié)構(gòu)，包括孔徑、形狀、分布和互連性(圖4)。SEM圖像展示了直線、三角形和螺旋狀設(shè)計(jì)的多孔結(jié)構(gòu)，且所有支架均表現(xiàn)出均勻且互連的孔分布及出色的結(jié)構(gòu)完整性。隨著填充百分比的增加，F(xiàn)DM打印支架的孔徑減小，結(jié)構(gòu)更致密。相反，低填充百分比導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不太致密，孔徑較大。然而，使用不同模式但填充密度相同的支架孔徑無(wú)顯著差異。

足夠高的孔隙率和合適的孔徑對(duì)于支架內(nèi)的細(xì)胞增殖、分化和組織生長(zhǎng)至關(guān)重要。盡管骨長(zhǎng)入的最佳孔徑存在爭(zhēng)議，但孔徑在500至1200 µm范圍內(nèi)的支架已表現(xiàn)出優(yōu)異的骨誘導(dǎo)特性。填充密度為30%、40%和50%的所有設(shè)計(jì)模式支架產(chǎn)生的孔徑均在此范圍內(nèi)，而填充密度為20%的支架孔徑較大，可能降低成骨作用。因此，具有較高填充密度的支架孔徑范圍（500–1160 µm）更適合促進(jìn)成功的骨再生。

圖4 具有不同填充密度和填充圖案的支架的宏觀表面結(jié)構(gòu)和孔徑。

UC支架的力學(xué)性能        
支架的機(jī)械強(qiáng)度對(duì)于支持組織生長(zhǎng)和再生至關(guān)重要，F(xiàn)DM打印過程中使用的細(xì)絲成分、填充圖案和填充密度對(duì)支架的機(jī)械性能有顯著影響。所有UC支架的主要失效機(jī)制是屈曲，歸因于高比例的TPU，TPU作為高彈性材料，在壓縮力作用下發(fā)生顯著變形，導(dǎo)致屈曲而非脆性斷裂(圖5)。XRD結(jié)果表明，UC長(zhǎng)絲具有半結(jié)晶結(jié)構(gòu)，PCL和TPU相融合，降低了整體結(jié)晶度并增強(qiáng)了彈性。TPU的高彈性和回彈性使支架能夠廣泛變形而不發(fā)生斷裂，表明這種材料適用于骨組織工程應(yīng)用。在所有支架設(shè)計(jì)中，較高的填充密度具有更大的彈性，使支架在承受壓縮時(shí)更加耐壓。在不同填充模式的支架，螺旋圖案的支架表現(xiàn)出優(yōu)越的機(jī)械性能。

圖5不同圖案設(shè)計(jì)和填充密度的 UC 3D 打印支架的應(yīng)力-應(yīng)變和壓縮模量。

FDM打印支架的形狀記憶性能      
形狀記憶測(cè)試的結(jié)果如圖6 所示。形狀記憶行為受PCL的結(jié)晶區(qū)域和TPU的非晶態(tài)相之間的相互作用控制。TPU相的彈性和柔韌性對(duì)于形狀恢復(fù)至關(guān)重要。PCL結(jié)晶域在變形時(shí)充當(dāng)錨點(diǎn)，而TPU基質(zhì)儲(chǔ)存彈性能量，驅(qū)動(dòng)支架恢復(fù)原始形狀。XRD和DSC分析證實(shí)了PCL的結(jié)晶峰和TPU的加入導(dǎo)致的結(jié)晶度降低。形狀記憶性能可以通過調(diào)整填充密度和支架結(jié)構(gòu)來優(yōu)化機(jī)械穩(wěn)定性與恢復(fù)效率之間的平衡。填充模式和密度在支架恢復(fù)能力中起著重要作用。在相同填充密度下，螺旋圖案的形狀固定性低于直線圖案，三角形圖案次之。熱機(jī)械試驗(yàn)表明，隨著填充密度的增加，轉(zhuǎn)變溫度下降，致密的支架具有更好的機(jī)械強(qiáng)度和更低的轉(zhuǎn)變溫度恢復(fù)效率，這對(duì)于微創(chuàng)醫(yī)療應(yīng)用至關(guān)重要。

圖6 支架在熱機(jī)械測(cè)試中的應(yīng)力-應(yīng)變和應(yīng)變-溫度曲線、形狀固定率和恢復(fù)率。

支架的潤(rùn)濕性和細(xì)胞相容性      
研究探討了聚多巴胺（PDA）涂層對(duì)3D打印UC支架潤(rùn)濕性和細(xì)胞相容性的影響。PDA涂層顯著提高了支架的親水性。SEM結(jié)果顯示，PDA涂層支架上的MG-63細(xì)胞表現(xiàn)出更好的擴(kuò)散性。MTS測(cè)定結(jié)果表明，PDA涂層支架顯著增強(qiáng)了細(xì)胞增殖，且PDA涂層支架上形成的鈣化結(jié)節(jié)數(shù)量高于未涂層支架，表明其有利于成骨細(xì)胞分化。此外，EDS元素映射顯示，PDA涂層支架表面成功形成了CaP生物礦化層，且元素密度更高。形狀記憶測(cè)試證實(shí)，PDA涂層不會(huì)損害支架的形狀記憶特性。因此，PDA涂層支架結(jié)合了形狀記憶功能和增強(qiáng)的生物活性，為骨組織工程提供了有利的環(huán)境。

圖7 未處理和PDA處理的UC支架的細(xì)胞形態(tài)、X射線光譜圖和形狀記憶性能。

結(jié)論            
該研究開發(fā)了由70% TPU和30% PCL制成的半結(jié)晶形狀記憶長(zhǎng)絲，用于FDM 4D打印具有可調(diào)結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和形狀記憶性能的多孔支架。研究評(píng)估了FDM打印參數(shù)對(duì)支架形態(tài)、機(jī)械性能和形狀記憶性能的影響。SEM成像顯示支架具有均勻的孔分布，且填充密度大于30%的支架適用于骨再生。力學(xué)測(cè)試表明，螺旋狀圖案的支架表現(xiàn)出最高的力學(xué)性能。所有支架的最大抗壓強(qiáng)度與天然松質(zhì)骨相當(dāng)，范圍為1.73到14.93 MPa。熱機(jī)械循環(huán)測(cè)試表明，填充圖案和密度對(duì)形狀記憶性能有重要影響，螺旋、直線和三角形圖案在52°C的轉(zhuǎn)變溫度下分別具有98%、91.1%和89.5%的形狀恢復(fù)率。聚多巴胺涂層未影響形狀記憶性能，但提高了支架的親水性和細(xì)胞增殖。總體而言，該研究為設(shè)計(jì)可調(diào)機(jī)械強(qiáng)度多孔形狀記憶支架提供了新方向，形狀記憶性能在骨缺損再生治療中具有潛在的應(yīng)用。