骨损伤是临床上亟待解决的问题,而可植入生物支架为替代和再生受损组织提供了有效手段。在骨组织工程领域中,生物支架需要具备生物相容性、生物可降解性、优化的孔结构和足够的强度来支持细胞粘附和生长。支架的孔隙结构对细胞增殖和分化至关重要,包括微孔/宏孔层次结构和孔的连通性。单一的多孔生物支架制备技术包括包括静电纺丝、气体发泡、颗粒浸出、溶剂铸造和3D打印技术难以完全满足支架所需的特性要求。同时聚乳酸作为制备支架的材料,由于其特性(低熔体强度和缓慢结晶速率)一定程度也影响支架的综合性能。
近日,中国科学院物质结构研究所王剑磊教授级高工、吴立新研究员等人提出了一种原位发泡打印方法,利用材料挤出增材制造技术和物理发泡,制备了聚乳酸(PLA)/甲壳素纳米晶(CHNCs)微孔复合支架,支架具有良好的机械性能和孔隙结构,同时展现出优越的生物相容性。这种PLA/CHNCs复合支架为解决和修复骨缺陷提供了一种有前景的方法。相关工作以“Microporous polylactic acid/chitin nanocrystals composite scaffolds using in-situ foaming 3D printing for bone tissue engineering”发表于《International Journal of Biological Macromolecules》。文章第一作者是福建师范大学硕士生彭康明。通讯作者为物构所王剑磊教授级高工、吴立新研究员和闽江学院张晨副教授。为了获得良好孔隙结构和机械性能的PLA基支架,首先,通过低共熔溶剂法制备CHNCs,将其与PLA进行熔融共混,随后进行原位发泡打印(图1)。通过FTIR、DSC、XRD、DHR等方法对CHNCs和复合支架进行了表征(图2,图3),发现CHNCs改善了PLA的热行为和流变行为,提高了PLA的加工性能。微观形貌表征(图4)和机械测试(图5)显示,支架的微观泡孔呈类三明治结构,其孔径范围为9 ± 5 μm,膨胀倍率在1.5到2.6倍,压缩模量在39.2 MPa到54.3 MPa之间,同时膨胀比和压缩性能可以通过改变CHNCs含量和打印速度来调节。此外,在同等发泡倍数(1.5–2.6倍)下,压缩模量比先前报道的基于PLA的泡沫支架提高了近100%。图4 PLA/CHNCs复合支架微观形貌及泡孔结构分析支架的体外生物降解(图6)和相容性(图7)表征分析得到,CHNCs能够缓解体液酸性的增加,提高PLA的亲水性。通过原位发泡制备的PLA/CHNCs支架与直接打印的PLA支架相比,展现出更优越的生物相容性。结论:将FDM打印和气体发泡技术相结合,制造出了具有分层宏观/微观孔结构的PLA/CHNCs复合支架。通过调整纳米填料的含量和打印速度,可调节支架的膨胀比和压缩性能,使支架的膨胀比最高可达2.6倍,压缩模量介于 39.2 MPa和 54.3 MPa之间。同时,原位发泡打印技术对生物环境友好,具有良好的可打印性。此外,体外生物降解和生物相容性实验表明,CHNCs 可缓解体液酸性,加入CHNCs可改善聚乳酸的亲水性,水接触角可降至72.6°。与直接打印获得的支架相比,原位发泡打印的支架对细胞的粘附和生长有积极影响。此外,作者提出,需要对原位发泡打印进行优化,并进一步开展体内生物相容性研究,以确保该支架在骨组织工程中的适用性。
原文链接:
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.135055
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