Advanced Science：诺丁汉研究人员开发复合材料细菌生物膜抗性人体植入物3D打印技术

导读：随着对疾病认识的加深，针对个体的个性化治疗需求也在增加。然而，大多数批量生产的医疗设备无法完全满足患者复杂的需求，单一材料3D打印方法也存在设计限制，无法生产具有多种生物或机械功能的定制设备。

针对这一问题，诺丁汉大学研究人员采用多材料喷墨3D打印（MM-IJ3DP）和遗传算法（GA），通过设计每个体素中不同墨水的比例，使打印产品表现出所需的性能，例如模量、透明度等。团队开发两种可抑制聚合后生物膜的形成，同时具有非常不同的弹性模量的功能性墨水，结合MM-IJ3DP打印复合结构。

△ 3D打印和表征定制生物膜抑制装置。a) 现有数据库中四种单体获得的两种高度分化模量的生物膜抗性材料。b)MM-IJ3DP双喷墨打印单元和紫外线灯。c) 伪随机打印策略生成具有模数选择的复合体素。d)物理性能的机械测试，化学成分的ToF-SIMS，和细菌生物膜抑制和细胞活力测定。e)不同成分试样性能数据库。f) GA有限元分析。g) 器件示例。

这项工作的灵感来自解决与设备/植入物相关的细菌感染和抗菌素耐药性(AMR) 的需要。因此，它避免使用抗生素和其他促抗微生物耐药性发展的药剂，采用细菌生物膜抗性材料，这些材料在接触时不会杀死细菌。

用于实验的3D打印机是PiXDROL P50，它使用双打印头，每个打印头有128个喷墨喷嘴。设备与常规喷射3D打印机一样，使用紫外线选择性沉积光聚合物。不同之处在于使用材料的复杂配方，不仅具有不同程度的柔韧性，同时还具有生物相容性。这使研究人员能够个性化定制更加自然，具有强度和灵活性的3D模型。因为打印过程中，材料随着不同体素进行混合，刚性和柔性区域整合在一起，没有明显分界。

△用于生物兼容医疗设备的多材料3D打印机

这种方法的一个附带好处是安全，因为使用了“本质上具有抗细菌性”的材料，降低了患者在植入后服用抗菌药物的需要。实验中的指关节植入物只是这种新多材料技术的一种可能性，其他可能性或许还有3D打印“智能药丸”。通过复杂的3D设计，材料层可以在可预测的持续时间内溶解，从而可以按时间释放药物。

△通过聚合物复合材料的两个区域设计悬臂弯曲轮廓示例；MM-IJ3DP生物膜抗性医疗器械潜在应用示例：指关节植入物。

这项工作展示了MM-IJ3DP打印医疗设备/植入物的制造，通过生成式设计引导墨水的共沉积制造功能性复合材料产品，这些复合材料既能抵抗细菌生物膜的形成，又能实现特定的轮廓。结合先进的配方和设计工具与MM-IJ3DP技术，能够为提高个性化医疗设备的生产能力创造机会，以及根据个别患者的需求进行量身定制。

参考文献：He, Y., Abdi, M., Trindade, G.F., Begines, B., Dubern, J., Prina, E., Hook, A. L., Choong, G. Y. H., Ledesma,J., Tuck, C. J., Rose, F. R. A. J., Hague, R. J. M., Roberts, C. J., DeFocatiis, D. S. A., Ashcroft, I. A., Williams, P., Irvine, D. J., Alexander, M.R., & Wildman, R. D. (2021). Exploiting Generative Design for 3D Printingof Bacterial Biofilm Resistant Composite Devices. Advanced Science, 2100249.https://doi.org/10.1002/advs.202100249

文献地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202100249