研究人员3D打印碳微晶格结构用于骨组织再生平台，兼具结构完整性和细胞诱导特性

2025年7月23日，南极熊获悉，IMDEA材料研究所研究人员的一项新研究取得了再生医学的突破，证明了3D打印碳微晶格作为骨组织工程结构可调支架的潜力。具体而言，碳支架采用3D打印聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）结构制造，并通过高温处理转化为热解碳（PyC）。

△来源：IMDEA材料研究所

他们的研究成果以题为“Pyrolytic Carbon Microlatticesfrom 3D-Printed Polyethylene Glycol Diacrylate and their In Vitro Assessment for Bone Regeneration”的论文发表在《小型结构》杂志上。研究团队由 Islam 博士领导，还包括 IMDEA 材料研究员 Wei Tang、Miguel Monclús 博士、Mónica Echeverry Rendón 博士、De-Yi Wang 教授和前 IMDEA 材料研究员 Jesús Ordoño 博士。

论文链接：https://doi.org/10.1002/sstr.202500290

本项研究为碳基材料在骨组织工程中的应用开辟了有希望的途径，骨组织工程领域长期以来一直在寻找结合机械强度、生物相容性、定制设计与几何精度的生物材料。

IMDEA Materials公司的MonsurIslam博士说道：“这项研究首次对3D打印的PyC支架在骨再生方面的应用进行了全面的体外评估。我们的目标是超越传统的支架材料，探索碳作为组织工程完全架构化、可调控平台的可能性。虽然其他形式的碳，例如石墨烯或碳纳米管，在骨再生方面已展现出良好的前景，但它们通常需要嵌入聚合物中，这往往会掩盖其真正的潜力。”

通过使用纯碳3D打印和热解成型，来创建具有可编程机械和化学特性的支架。真正令人瞩目的是，这些结构可以引导细胞行为，促进增殖或成骨，而无需任何表面涂层或生物活性添加剂。正因如此，这项研究才成为碳在再生医学领域发展的转折点。其中，热解过程是在无氧条件下高温分解有机物的过程。

△a)热解前（左）和热解后（右）具有八位单元胞的 3D 打印微晶格结构的数码照片，突出显示了热解后的剧烈几何收缩。左下角的插图显示了八位单元胞的设计。b ) PyC 微晶格的 SEM 图像，描绘了原始前体设计的保留。c )单个 PyC 晶格元素的高倍SEM 图像。

这项研究是欧洲玛丽居里行动项目 3D-CARBON 的一部分，其中有机感光树脂 PEGDA 首次用于基于紫外线的树脂 3D 打印，其中复杂的 3D PEGDA 结构是在逐层光聚合过程中制造的。

这些结构随后经过高温热解过程，形成基于碳的框架，根据加工条件表现出增强的机械、电或热性能。

重要的是，原始结构经历了显著的几何收缩（高达约80%），但仍保留了原始几何形状。与UV 3D打印工艺相比，这种收缩实现了更高的打印分辨率，从而能够制造出与天然骨相似的孔隙几何形状。

研究人员还证明了如何通过将热解温度从 500°C 改变为 900°C 来有效调整所得碳微晶格的物理和生物特性。在较高温度下，碳的导电性和机械强度更高，弹性和硬度值接近天然骨，使其在骨修复的临床应用中特别有前景。

有趣的是，研究表明，在较低热解温度下制备的PyC支架保留了更多含氧表面基团，从而提高了代谢活性并增强了细胞增殖。这表明，调节热解参数可以提供一种强有力的工具来指导细胞行为。

与许多现有的支架材料不同，例如缺乏强度的聚合物或难以加工成天然骨几何尺寸的陶瓷，这些PyC 微晶格提供了可加工性、生物相容性、机械弹性和表面可调性的罕见组合。此外，它们与基于 MRI 的监测的潜在兼容性比基于金属的植入物具有显著的优势。