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“超弹骨”—多用途、高效能的生物材料

“超弹骨”—多用途、高效能的生物材料

供稿人:杨邵鹏,连芩   发布日期:2017-05-03
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人造骨移植物的研究始终都是生物工程中的研究热点,3D(即増材制造技术)打印技术以叠层制造的方式从制造原理上改变了加工方式,大幅提高人造骨及骨替代物的加工范围与加工能力。人造骨3D打印的方式较多,有以光固化为基础的DLP(以面曝光増材制造方式)与SL(以激光扫描的方式),有以激光热能为基础的SLM(激光熔融)与SLS(激光烧结),还有以挤出与喷墨的加工方式等。

人造骨不但要有相应的形状精度作为基础,使用的材料也必须要有一定的特殊性能。在现如今的研究实践中,当前的人造骨主要存在以下不足:不能满足相应骨增生要求、制造价格高,制造难度大、外科手术的可操作性不强等。针对这些问题,美国西北大学(Northwestern University, Chicago, IL 60611, USA)材料科学与工程学院的Adam E. Jackus 等人开发了一种高弹骨(Hyperelastic Bone, HB)以解决上述问题。

这种超弹骨的加工材料由90wt%的HA(羟基磷灰石)与10w%的聚乙酸内酯或聚乳酸羟基乙酸构成,液体状材料使用挤出成型的方式加工,该加工方法具有室温条件加工、加工效率高(单喷头线性速度150mm/s)、处理容易(三小时内便可完成加工,清洗,消毒)的优点。更重要的是,这种加工方式得到的超弹骨不需要烧结便可以直接使用,满足如蛋白质等生物因子及化学成分的融合需求。此外,加工出的零件具有32-67%的断裂应变,4-11MPa的弹性模量,同时拥有50%孔隙率的零件具有很强的吸收性能与细胞支撑、增值能力。使用该材料加工的超弹骨可诱导骨细胞分化,在以小鼠为实验载体的结果中表现出了优良的生物相容性能,无生物排斥现象,同时表现了与周围组织迅速相容的能力。

超弹骨的定制化制造过程
超弹骨具有优良的弹性及恢复能力
超弹骨支架(1)表现了卓越的组织生长能力
而热熔骨支架(2)效果不明显

文献来源

  • 主要:Jakus A E, Rutz A L, Jordan S W, et al. Hyperelastic "bone": A highly versatile, growth factor-free, osteoregenerative, scalable, and surgically friendly biomaterial[J]. Science Translational Medicine, 2016, 8(358):358ra127.
  • 其他:Seol Y J, Park D Y, Park J Y, et al. A new method of fabricating robust freeform 3D ceramic scaffolds for bone tissue regeneration[J]. Biotechnology & Bioengineering, 2013, 110(5):1444–1455.
  • Afzal A. Implantable zirconia bioceramics for bone repair and replacement: A chronological review[J]. Materials Express, 2014, 4(1):1-12(12).