3D打印梯度孔隙支架用于骨软骨组织工程

供稿：张维东

在美国，约有1/5的成年人会患有不同程度的软骨及骨软骨疾病。目前临床主要治疗手段是手术修复或自体/同种异体软骨移植。但这些治疗手段均存在着一定的局限性，表现为移植后再退变、移植物与本体组织整合不佳及缺乏足够的力学强度。软骨无血液供应且组织中细胞含量低，这直接决定了软骨损伤后自我修复能力欠佳。随着3D打印技术的发展，近几年来已开发出多种支架材料及技术手段用于骨软骨组织工程的构建。构建骨软骨仿生支架需满足较好的力学承载性、应力分散性及组织相容性。其中，如何在同一仿生支架结构中通过材料性能梯度变化，达到应力分散仍是一个大的挑战。近期，来自美国莱斯大学的米克斯教授团队通过多材料同步3D打印系统，以PCL-HA（羟磷灰石）为材料，构建出材料孔径及组份梯度变化的支架，以模拟本体骨软骨组织孔隙形态及复杂组成。

研究者分别以PCL、PCL-HA15（85% PCL & 15% HA）、PCL-HA30（70% PCL & 15% HA）为材料，逐层打印出单一孔径的支架（Fig. 1a, b）。通过调整平行纤维的中心间距，研究者构建出三种不同孔隙大小支架，分别为0.2 mm（小孔径）、0.5 mm（中孔径）、0.9 mm （大孔径）（Fig. 1c）。同时也设计出材料组成及孔隙大小均梯度改变的渐变支架（Fig. 1d）。

Fig. 1. Three-dimensional printing schematic for the fabrication of PCL and PCL-HA constructs.

通过micro-CT进一步直观比较三组材料结构特点。Fig. 2A-C：自上而下观察PCL（小孔径）、HA15（中孔径）、HA30(大孔径)三种支架；Fig. 2D-F：侧面观察上述三种支架特征；Fig. 2G-I：侧面观察上述三种支架材料孔径大小呈梯度变化，Fig. 2J可以观察到材料组成及孔径大小均呈梯度变化。

Fig. 2. Representative micro-CT images of all uniform and gradient scaffolds included in the study.

在此基础上，研究者比较材料孔径大小及组份变化时压缩模量及屈服应力的改变。Fig. 3A, B 数据表明小孔径材料（0.2 mm）的压缩模量及屈服应力均高于其他两组孔径材料。而中等孔径及大孔径材料的压缩模量及屈服应力无显著差异。同时也发现材料组份改变对其压缩模量及屈服应力无显著影响。

Fig. 3. Compressive modulus and yield stress as the function of pore morphology for all compositions examined (PCL-only, HA15, HA30, Dual gradient).

研究者进一步比较支架材料孔隙大小与其压缩模量/屈服应力之间的线性关系。Fig. 4A, B 数据表明随着材料孔隙缩小，材料的压缩模量/屈服应力增大，变量之间存在着反比例线性关系。

Fig. 4. Compressive modulusand yield stress as the continuous function of pre-compression porosity for alluniform (0.2 mm, 0.5 mm, 0.9 mm) scaffolds of each composition.

那么，组织工程支架的构建最关键的是其力学性能达到本体组织水平。在本研究中，作者通过压力负荷下材料张力变化进行评估。Fig. 5所示为双梯度变化支架20%应力压缩前（Fig. 5A）及压缩后（Fig. 5B）的micro-CT图像。其中最上一层为纯PCL/0.2 mm孔隙支架，中间层为含15%HA/0.5mm孔隙支架、底层为含30%HA/0.9 mm孔隙支架。比较发现，孔隙越大则支架材料的张力越大，形变越大，而与材料中HA含量无关。

Fig. 5. Representative micro-CT images of dual gradient scaffold (top section – PCL/0.2 mm pores, middle section – HA15/0.5 mmpores, bottom section – HA30/0.9 mm pores) A) before and B) after compressionto 20% strain and subsequent recovery.

总体而言，研究者通过双梯度（孔隙及HA含量）渐变支架的研究发现3D打印支架材料的孔隙大小是决定其压缩模量关键，而与支架材料中HA含量无显著关系。

该研究由美国莱斯大学的米克斯教授团队完成，于2019年5月发表于Acta Biomaterialia。


审校：袁章琴
编辑：王佳媛

论文信息：
Sean M. Bittner, Brandon T. Smith, Luis Diaz-Gomez, Carrigan D. Hudgins, Anthony J. Melchiorri, David W. Scott, John P. Fisher, Antonios G. Mikos*. Acta Biomaterialia 2019, 90: 37-48.