上海大学提出非溶剂辅助3D打印制造仿生骨新策略

来源：EngineeringForLife

骨组织由羟基磷灰石与胶原纤维结合而成。其中胶原纤维成束存在，直径0.5~20微米，有分支并交织成网。成纤维细胞于细胞外聚合为胶原原纤维（collagen fibril），直径20～200微米，再经少量黏合质黏结成胶原纤维。通过先进增材制造技术制造具有仿生结构的人工骨受到了科研人员的关注。通常做法是先通过静电纺丝等技术制备纤维，再与墨水复合用于3D打印制造仿生骨。但由于3D打印对墨水的严苛要求，纤维添加过多或会显著影响墨水流变特性，从而导致打印失败。

上海大学尹静波、张坤玺教授联合复旦大学附属闵行区中心医院、同济大学附属同济医院基于聚（L-谷氨酸苄酯）（PBLG）在成螺溶剂中的自组装特性，提出一种非溶剂辅助3D打印方法，在实现PBLG基复合材料3D打印的同时一步法生成仿生纤维结构，以模拟天然骨组织中胶原纤维束的形成。研究成果发表在《Advanced Functional Materials》，论文题目为“Biomimetic Fibrous Bone Substitute Manufacture through Non-Solvent-Assisted 3D Printing”。

Figure 1.Schematic representation of the biomimetic bone manufacturing through 3D printing.

Figure 2. Generation of biomimetic fiber structure.

研究首先说明PBLG在有机成螺溶剂中可自组装形成纳米原纤维，然而有机溶剂去除后无法保持纳米纤维结构。非溶剂乙醇引入后，原纤维会进一步生长成为尺寸更大的亚微米级纤维，且溶剂去除后可保持纤维结构。研究同时揭示醇羟基介导的分子间氢键相互作用是PBLG原纤维生长成亚微米纤维的重要影响因素。这一纳米纤维向亚微米纤维的转变可实现对“组织中胶原原纤维经少量黏合质黏结成胶原纤维这一特征”的模拟。

Figure 3. Preparation of PBLG/nHA inks.

Figure 4. Evaluation of the printed biomimetic bone.

进一步，研究证实了即使是高浓度PBLG，非溶剂也可以诱导纤维结构形成，这为3D打印提供了可行性，因为往往挤出打印需要墨水浓度较高。在此基础上，将PBLG溶液与纳米羟基磷灰石nHA复合制备打印墨水。然而无论是PBLG溶液还是复合nHA的PBLG溶液都不具备可打印性。但是如果将乙醇作为接收相，即在乙醇中挤出，PBLG/nHA复合体系则具有优异的可打印性，并揭示nHA与PBLG之间的氢键相互作用促使溶于1,4-二氧六环中的PBLG和nHA混合物表现出优异的可挤出性、自支撑性和可塑性。同时为了兼顾可打印性和纤维结构的生成，研究对墨水组分进行了优化，实现墨水打印的同时同步生成仿生纤维结构。值得一提的是，纤维生成过程中，nHA与PBLG通过相互作用结合，不仅是对基质组成的仿生，也赋予打印材料优异的力学特性（36.59 ± 2 MPa）。过多nHA无法与PBLG形成相互作用而在材料中形成应力集中，反而负面影响材料力学特性，这一结果可以帮助理解骨组织的结构-性能规律。

Figure 5.Omnidirectional 3D printing of the PBLG/nHA inks.

最后，研究为进一步克服层层堆叠打印因重力导致的塌陷缺点以及打印性能与仿生纤维制备的矛盾，制备了乙醇凝胶作为支撑浴，实现全相打印，扩大打印窗口。纤维结构引起的细胞迁移效应和优异的力学支撑性使其可能成为潜在的骨替代物。该研究提出的新型非溶剂辅助3D打印制造策略，突破了针对稀溶液自组装成纤维的局限性，实现了PBLG基材料的3D打印和仿生纤维结构构筑，展现出仿生材料大规模制造的巨大潜力。

参考资料：https://doi.org/10.1002/adfm.202419464