用于3D打印植入物的磷酸镁辅助骨再生-医疗领域

用于3D打印植入物的磷酸镁辅助骨再生-医疗领域

2020-10-07 11:04:09 1

国际研究人员继续克服骨再生挑战的趋势,在最近发表的“ 基于磷酸镁镁的3D打印植入物在马缺陷模型中诱导骨再生”中分享了他们的研究结果。当医生承担重建人体骨骼的任务时,通常需要一种不仅可以模仿人体组织而且可以生物降解的材料,使其适合与植入物一起使用。这种材料必须具有适当的机械性能,在许多情况下会带来进一步的困难。

当前的数据表明,植骨手术的年增长率为10%,因此医学科学家和研究人员比以往任何时候都更有动力开发新技术和使用新材料进行实验(通常与脚手架有关)。典型的支架由可能降解的材料组成,例如:

羟基磷灰石,磷酸三钙或生物玻璃等陶瓷

聚己内酯,聚乳酸-乙交酯等基于高分子的材料

复合材料

生物活性材料的制备和可印刷性表征。A)低温打印过程和墨水成分的示意图。B)可印刷性评估。细丝测试:将不同的成分以不同的间距挤出到支柱支撑上。陶瓷浓度对偏转角θ的影响(以弧度为单位)是间隙距离L(以毫米为单位)的一半的函数(每组n = 3)。融合测试:沉积在载玻片上后,来自立体显微镜的图像(n = 3)。熔丝长度的指数拟合通过对于测试组合物的丝厚度作为丝距离的函数来标准化。C)设计和印刷的MgPSr-PCL30各种形状的支架。

通常使用各种不同的传统技术,使研究人员仍然要处理诸如下层结构,与机械性能有关的收缩以及为10mm以上缺陷创建支架的挑战等障碍。在这项研究中,研究人员转向使用陶瓷进行基于挤压的3D打印,同时探索了以前使用生物陶瓷与羟基磷灰石和聚己内酯或聚(乳酸-共-乙醇酸)进行3D打印的工作。

由于缺乏承重性能,以前的材料可能提出了挑战,由于更好的机械性能,导致研究人员探索聚合物-陶瓷复合材料。但是,由于聚合物掩蔽和较低的溶解度,可能会导致骨诱导性降低。磷酸镁水泥(MPC)和磷酸钙(CPC)中的金属离子显示出更好的骨再生潜力,尽管:

研究人员说:“近来,由于磷酸镁(MgP)材料具有很高的体内  溶解度和在生理条件下转化为低可溶性CaP相的可能性较小,因此引起了越来越多的关注  。”

体外评估印刷支架的生物活性。A)在基础培养基中eMSCs培养14天期间,来自活死染色测定的共聚焦图像。B)每个支架的活细胞和死细胞分布的定量结果。C和G)印刷样品的碱性磷酸酶(ALP)图像。将ALP活性水平相对于DNA含量标准化。D和H)在培养30天后使用茜素红S染色研究的通过eMSCs形成钙化基质的形成。使用比色法通过3D打印支架上茜素红S含量评估的钙化基质的定量数量。比例尺代表1毫米。E和I)XRD和F和J)培养eMSCs后对支架的FTIR分析。对应于羟基磷灰石的峰用红色圆圈标记。(为了解释该图例中对颜色的引用,

其他离子如Sr 2+进入CaP和MgP。材料也可以再生。在这项研究中,作者能够通过3D打印由磷酸镁制成的脚手架,并通过使用PCL(一种用于骨骼再生的常见热塑性材料)控制必要的性能。他们还添加了少量具有生物活性的Sr 2+  离子,首先在基础和成骨培养基(体外)中评估材料,然后在马块茎缺氧症模型(体内)中评估材料。

研究人员使用3D打印机通过22G锥形喷嘴挤出糊料,分配压力为0.9 bar,可在室温下连续打印。3D打印了各种尺寸的圆柱和矩形样品以进行研究。

3D打印机

体内研究的准备和植入。A)在马块茎co中植入圆柱形结构的示意图。B)大型印刷植入物(10毫米×10毫米)的图纸和照片。C)手术过程的术中视图,显示了空缺和充满结构的缺损。D)6个月后新骨形成的μ-CT分析。植入MgPSr-PCL30的缺损的纵向和横截面的代表性重建图像以及体内6个月后的空缺(比例尺= 10 mm)。

最终,发现MgPSr和PCL可以显着改善体外  培养的成骨反应  ,并被誉为“能够有效修复临界大小的骨缺损”,并且在马块茎模型内部植入了六个月。30%(重量)的PCL消除了裂纹和过早失效,这是在有承重部位的情况下使用陶瓷的好处。然而,这项研究最成功的要点之一是MgPSr-PCL30复合材料的压缩力学性能“在天然松质骨范围内”。

3D打印机

在对马模型进行6个月的体内研究后进行组织学评估。A)6个月后,MgPSr-PCL30支架内新骨(*)的组织学评估。代表性的苏木精和曙红,碱性品红/亚甲蓝染色的MMA样品,I型胶原蛋白(棕色区域)的免疫组织化学染色以及由MgPSr-PCL30支架(S)填充的缺损和空缺损的picrosirius红染色的组织切片。比例尺为50μm。B)新形成的骨骼的EDX分析。邻近支架支柱的新形成骨骼的代表性BSE图像。C)对新形成的骨骼和天然骨骼进行的钙和磷分析。(要解释此图例中对颜色的引用,请参阅本文的Web版本。)

即使在体外显着降解后,植入物仍显示出合适的承载能力。发现该支架既具有骨传导性又具有骨诱导性,支持植入物周围的骨再生,同时也“桥接”了骨缺损。

研究人员说:“有趣的是,对新形成的骨骼的EDX分析显示出与天然马骨骼相似的矿物质成分和Ca / P比,这证实了发育中的支架材料的骨促进特性。”

结果反映出牢固,稳定的支架以及用于组织工程和骨再生的可行系统。尽管针对骨再生活动存在困难,但许多其他研究也都充满希望,尽管研究针对颚骨等区域进行再生,使用钛等其他材料制造其他复杂的支架。


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标签: 3D打印医疗
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