研究人員3D打印碳微晶格結構用于骨組織再生平臺，兼具結構完整性和細胞誘導特性

2025年7月23日，南極熊獲悉，IMDEA材料研究所研究人員的一項新研究取得了再生醫(yī)學的突破，證明了3D打印碳微晶格作為骨組織工程結構可調支架的潛力。具體而言，碳支架采用3D打印聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）結構制造，并通過高溫處理轉化為熱解碳（PyC）。

△來源：IMDEA材料研究所

他們的研究成果以題為“Pyrolytic Carbon Microlatticesfrom 3D-Printed Polyethylene Glycol Diacrylate and their In Vitro Assessment for Bone Regeneration”的論文發(fā)表在《小型結構》雜志上。研究團隊由 Islam 博士領導，還包括 IMDEA 材料研究員 Wei Tang、Miguel Monclús 博士、Mónica Echeverry Rendón 博士、De-Yi Wang 教授和前 IMDEA 材料研究員 Jesús Ordoño 博士。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/sstr.202500290

本項研究為碳基材料在骨組織工程中的應用開辟了有希望的途徑，骨組織工程領域長期以來一直在尋找結合機械強度、生物相容性、定制設計與幾何精度的生物材料。

IMDEA Materials公司的MonsurIslam博士說道：“這項研究首次對3D打印的PyC支架在骨再生方面的應用進行了全面的體外評估。我們的目標是超越傳統(tǒng)的支架材料，探索碳作為組織工程完全架構化、可調控平臺的可能性。雖然其他形式的碳，例如石墨烯或碳納米管，在骨再生方面已展現(xiàn)出良好的前景，但它們通常需要嵌入聚合物中，這往往會掩蓋其真正的潛力�！�

通過使用純碳3D打印和熱解成型，來創(chuàng)建具有可編程機械和化學特性的支架。真正令人矚目的是，這些結構可以引導細胞行為，促進增殖或成骨，而無需任何表面涂層或生物活性添加劑。正因如此，這項研究才成為碳在再生醫(yī)學領域發(fā)展的轉折點。其中，熱解過程是在無氧條件下高溫分解有機物的過程。

△a)熱解前（左）和熱解后（右）具有八位單元胞的 3D 打印微晶格結構的數(shù)碼照片，突出顯示了熱解后的劇烈?guī)缀问湛s。左下角的插圖顯示了八位單元胞的設計。b ) PyC 微晶格的 SEM 圖像，描繪了原始前體設計的保留。c )單個 PyC 晶格元素的高倍SEM 圖像。

這項研究是歐洲瑪麗居里行動項目 3D-CARBON 的一部分，其中有機感光樹脂 PEGDA 首次用于基于紫外線的樹脂 3D 打印，其中復雜的 3D PEGDA 結構是在逐層光聚合過程中制造的。

這些結構隨后經過高溫熱解過程，形成基于碳的框架，根據(jù)加工條件表現(xiàn)出增強的機械、電或熱性能。

重要的是，原始結構經歷了顯著的幾何收縮（高達約80%），但仍保留了原始幾何形狀。與UV 3D打印工藝相比，這種收縮實現(xiàn)了更高的打印分辨率，從而能夠制造出與天然骨相似的孔隙幾何形狀。

研究人員還證明了如何通過將熱解溫度從 500°C 改變?yōu)?900°C 來有效調整所得碳微晶格的物理和生物特性。在較高溫度下，碳的導電性和機械強度更高，彈性和硬度值接近天然骨，使其在骨修復的臨床應用中特別有前景。

有趣的是，研究表明，在較低熱解溫度下制備的PyC支架保留了更多含氧表面基團，從而提高了代謝活性并增強了細胞增殖。這表明，調節(jié)熱解參數(shù)可以提供一種強有力的工具來指導細胞行為。

與許多現(xiàn)有的支架材料不同，例如缺乏強度的聚合物或難以加工成天然骨幾何尺寸的陶瓷，這些PyC 微晶格提供了可加工性、生物相容性、機械彈性和表面可調性的罕見組合。此外，它們與基于 MRI 的監(jiān)測的潛在兼容性比基于金屬的植入物具有顯著的優(yōu)勢。