骨疾病通常會導致患者骨骼脆弱。根據世界衛生組織統計，全球肥胖人數正在持續增加，相應會增加更多的骨骼相關疾病。不同的骨骼問題包括骨密度低、骨質疏鬆症和其他骨骼疾病。此類骨病、疾病和功能障礙通常需要複雜且昂貴的治療。
近日，來自大都會技術大學的Carmen M. González-Henríquez等學者基於聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和丙烯酸（AAc）合成了一種用於 3D列印的新型 DLP 樹脂，在樣品中加入光吸收劑-橙黃G、納米羥基磷灰石 (nHA) 夾雜物和致孔劑（NaCl），從而改善合成樹脂的3D列印精度和解析度，提高材料的生物相容性和機械剛度。相關結果以「Biocompatible and bioactive PEG-Based resin development for additive manufacturing of hierarchical porous bone scaffolds」為題發表在《Materials & Design》上。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112315
/ 研究要點
首先，研究人員通過鹽浸工藝製備了互連多孔支架。隨後在樣品中加入致孔劑（NaCl）和生物活性劑（nHA），觀察其對接觸角和表面自由能的影響。如圖1所示，與極性溶劑（水和甘油）相比，使用二碘甲烷的NaCl和nHA樣品的接觸角有所增加，而使用 30% AAc 和 NaCl 的樣品則不會出現這種情況。結果表明當 nHA 添加到混合物中時獲得表面的極性性質。
圖1 使用三種不同液相（去離子水、甘油和二碘甲烷）的30% AAc、NaCl 和nHA 晶體樣品的接觸角圖像
研究人員在製備生物活性多孔支架的過程中，往合成樹脂（SR）中加入5% w/w的nHA, 30% AAc和25% w/w NaCl顆粒，得到30% w/w的固體無機相和70% w/w的液體樹脂有機相的混合物。樹脂混合物中較高濃度的固相減少了沉澱時間，這些樣品的EDX顯微照片如圖2所示。可以觀察到，生物活性劑(nHA)在整個材料中隨機分布在樹脂的聚合有機相中。同樣，可以識別材料中存在的鹽晶體，並在浸出後產生材料的孔隙。
圖2 含有 30% AAc、25% NaCl 和 5% nHA 的樣品同一部分的 SEM 和 EDX 顯微照片。紫色對應於 nHA 晶體（磷信號），淺藍色對應於 NaCl 晶體（鈉信號），綠色對應於有機相（樹脂基質，碳信號）
為了將自由基的形成限制在特定的深度，研究者添加了一種光吸收劑化合物-橙黃G。圖中為OSR/NaCl/nHA樹脂與黃金標準(GS)兩種不同浸出時間OSR/NaCl/nHA樹脂列印圓柱的FE-SEM顯微圖。OSR為具有橙黃G的合成樹脂。在5天的情況下，3D列印材料顯示出更均勻的多孔結構，這是由於浸出過程和消除了可能堵塞在聚合物基質中的鹽。在GS樹脂的情況下也可以觀察到類似的情況，在浸出5天後可以觀察到更多更大的孔隙。結果表明，在混合物中加入光吸收劑增加了材料的電阻，這種材料阻力的增加也會影響樣品的溶解度，由於更緊密的交聯，使其更耐溶劑，這限制了水凝膠的自由膨脹。這種效果使材料可以長時間洗滌和浸出，而不會有分層的風險。而且，電阻的增加也意味著有必要增加固化後的時間，以達到完全聚合的材料，沒有單體的痕跡。
圖3 OSR 和GS 樹脂在不同時間（3 天和5 天）浸出的 FE-SEM 顯微照片
為分析OSR樹脂的機械性能，研究人員通過壓縮試驗進行表征支架的特性，分別研究了三個OSR組：不含nHA的OSR（基線樹脂）、負載納米顆粒的 OSR 樹脂以及經過 1 天溶脹測試後的 OSR 樹脂（OSR + 溶脹）。單軸壓縮試驗的結果如表1和圖4所示。表1顯示，當比較不含nHA的OSR與OSR樹脂時，顆粒在材料中具有強化行為。圖4顯示了三個分析組的平均應變-應力行為。它們的行為幾乎都像線性材料一樣，在斷裂載荷附近呈現出輕微的塑性行為。結果表明，與基準樹脂相比，OSR樹脂的力學性能增大了。其中，AAc/nHA顆粒的存在使得斷裂應力增加，斷裂應變降低。
表1 OSR樣品壓縮試驗獲得的機械參數（楊氏模量、最大應變和斷裂點應力）
圖4 圓柱形 OSR 樣品壓縮機械測試的應力-應變曲線。紅色：基線樣本（不含 nHA 的 OSR），橙色：溶脹的 OSR 樣本，綠色：OSR 樣本
最後，研究人員對3D列印的支架進行細胞毒性分析。通過測量 3D 列印支架的細胞活力獲得的細胞相容性研究如圖 5 所示。羥基磷灰石納米顆粒具有細胞相容性，可促進細胞生長並抑制細胞凋亡。根據觀察，重點關注第 1 天、第 3 天和第 7 天，典型細胞活力的百分比有所增加。結果表明，與商業樹脂相比，研究的合成樹脂呈現出幾乎相同的生物相容性行為，但具有更高的機械性能和出色的列印解析度。
圖5 與MC3T3-E1細胞一起培養1、3和7天後，對支架OSR和對照組（對照組：不含材料的細胞，陽性對照組：用nHA培養的細胞）進行的細胞活力檢測，以及DAPI染色的MC3T3細胞在OSR和GS上的外螢光顯微照片
/ 總結
本研究通過3D列印成功製備了一種摻雜納米羥基磷灰石（nHA）、氯化鈉和橙黃G (0.2% w/w)的新型 DLP 3D列印樹脂，表現出優異的性能。其中，加入納米羥基磷灰石（nHA）可以模擬骨組織的結構和特性，從而提高材料的生物活性。此外，在混合物中添加了橙黃G (0.2% w/w)，可提高適印性和印刷解析度。最後，改變樹脂中單體的化學計量，從而優化支架的生物相容性/生物活性能力和機械阻力。
來源 l 醫用金屬與增材製造前沿
原文信息：
Mauricio A. Sarabia-Vallejos, Felipe E. Cerda-Iglesias, C.A Terraza, Nicolás A. Cohn-Inostroza, Andrés Utrera, Manuel Estrada, Juan Rodríguez-Hernández, Carmen M. González-Henríquez,Biocompatible and bioactive PEG-Based resin development for additive manufacturing of hierarchical porous bone scaffolds,Materials & Design,Volume 234,2023,112315,ISSN 0264-1275.