卡内基梅隆大学使用3D打印技术,研发磷酸钙石墨烯材料用于骨再生

2022 年 05 月 10 日

卡内基梅隆大学(CMU)和康涅狄格大学(UConn)使用3D打印技术,研发新型磷酸钙石墨烯(CaPG)材料,未来可用于骨再生应用。
研究小组试图开发一种替代传统自体骨移植的方法,这种方法可以简单快速的治疗骨缺损和骨损伤。它是一种适用于缺陷部位组织再生的3D打印生物替代材料,该材料具有许多医疗适用性,如骨诱导性、生物安全性、长保质期和合理的价格等。

仿生3D打印的CaPG矩阵设计。图片来自自然
 3D打印与石墨烯的发展
       石墨烯本来就存在于自然界,它具有轻质特性、导电性和导热性以及极高的机械强度,自发现以来已成为生物医学能源生产和微电子领域应用的理想材料。获取石墨烯材料难点是剥离出单层结构,石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。因此这对于3D打印来说也提出了重大挑战。
        尽管如此,随着3D打印的发展,人们不断研发3D打印与石墨烯材料的结合。例如,弗吉尼亚理工大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)开发了一种高分辨率3D打印方法,可将石墨烯分散在凝胶中以形成可3D打印的树脂,后者还与加州大学Cruz合作生产用于储能设备的石墨烯气凝胶等等。

3DP-CaPG基质上hMSCs的相容性和成骨分化。图片来自自然
3D打印CaPG功能性石墨烯材料
石墨烯已被纳入增材制造工艺,以增强所得基质的成骨特性,用于骨再生。然而,未功能化的石墨烯材料缺乏骨诱导性,并且大多数基质都没有在体内进行研究。
过去,人们在探索如何制造出一种合成基质,具有优秀的骨诱导特性,同时还具有生物安全性、保质期长且生产成本效益高。其中,含有石墨烯的材料因其优异的化学、机械和生物学特性而受到广泛关注。
含石墨烯的材料可以促进细胞的粘附和生长,一些证据表明它们具有成骨潜力,因此这些材料正越来越多地用作骨再生工程。然而,单独的氧化石墨烯缺乏在损伤部位启动天然骨再生能力。此外,该团队还观察到,虽然氧化石墨烯薄片具有出色的机械性能,但它的大块结构缺乏为再生骨骼提供稳定的机械性能。
因此,他们成功地创建了一个功能化改性的石墨烯,称为磷酸盐石墨烯,具有很好的骨再生的潜力。通过添加钙3D打印了一种模拟骨骼的CaPG材料(钙能够促进干细胞分化为骨细胞)。

小鼠颅骨缺损模型中基质的生物相容性。图片来自自然
骨再生技术的进步
该团队使用生物制造公司Dimension Inx的直接墨水书写(DIW) 3D打印方法,来制造具有多孔结构的CaPG材料,其中墨水中石墨的含量“非常高”(约 90%)。这使得细胞能够进入骨传导主干,并控制钙和磷酸盐离子的释放,这意味着宿主对基质的反应主要依靠石墨烯的含量,而不是生物惰性粘结剂。
该团队可以轻松地打印具有特定几何形状的构矩阵,用于细胞和动物研究。该小组指出,也可以直接打印匹配特定的骨缺损。因此,3D打印可与CaPG材料完美相结合,为骨再生工程提供了可定制的新技术。

3DP-CaPG基质的生物降解和生物分布。图片来自自然
对于体内试验,CaPG与骨髓基质细胞(BMSCs)结合,以促进小鼠皮下空间内骨骼的形成。发现CaPG基质能够在体内进行再吸收和生物降解,该团队称这对于合成材料来说是罕见的,并表明有望成为可吸收的骨诱导基质。
此外,该团队在研究期间观察到没有对重要器官造成有害影响。展望未来,研究人员将进行进一步的开发,增强3D打印CaPG基质的机械性能,并测试其在体内的长期安全性。

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