静电纺丝在3D打印仿生支架中的应用

来源:3D打印商情    关键词:3D打印,3D打印技术,3D打印运用,    发布时间:2019-06-17

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在论文《用于软骨再生的3D打印电纺纤维支架》中,中国研究人员试图改进在生物打印中创造更好材料和定制几何形状的工艺。为此,他们不仅采用3D打印,而且还采用冷冻干燥工艺来制造由电纺纤维制成的墨水。
生物打印的挑战很大程度上在于保持细胞存活——在大多数情况下,这些细胞需要一种结构来提供生存的稳定性,无论是在体内还是在实验室中。对于参与组织工程的科学家来说,关键是尽可能地模拟细胞外基质(ECM)。最近的发展趋势包括使用纤维网络制造支架,而静电纺丝则提供了一种成功的制造模式。

各种电纺纤维支架的原理图。(A)传统纤维支架——电纺纤维膜。(B)3D纤维支架,由分散的电纺纤维经冷冻成型而成。(C)3D打印纤维支架的合成步骤。
然而,由于静电纺丝过程中产生的纤维通常会导致孔尺寸不足和厚度低于“块状支架”的2D膜,因此也会出现挑战。这些障碍并没有阻止研究人员进行生物打印,正如本研究的作者一样,这些障碍已经引起了人们对进一步探索的关注。
过去的研究包括多种不同的技术,如多层次、液体辅助收集和模板辅助收集。尽管如此,他们还没有在尺寸良好的3D打印复杂脚手架上取得成功。作者进一步研究了理论,同时也概述了如何利用智纤维单纤维结构,更有效的粘合和挤出技术以及机械性能的改进来应对以往的挑战。然后,他们进行了以下试验:
·静电纺丝、脱水、均质化和蒸发干燥,将纤维转化为短的单纤维粉末。
·将纤维粉末、透明质酸(HA)溶液和聚氧化乙烯(PEO)溶液混合制成3D打印墨水。
·冻冻干燥和交联
随后,研究小组评估了软骨的机械性能、孔隙大小和形态,并在体外和体内检查了软骨再生模型。最终,研究人员发现他们的技术是成功的,结果是产生准确性、大孔隙、和良好的机械性能。这项研究还表明,他们能够创造以下情况:
·适宜的ECM仿生表面;
·弹性;
·水诱导形状记忆;
·良好的体内软骨再生;
与以前的研究相比,干蒸发技术在这里取得了更大的成功,并且也增加了交联后的HA和PEO水溶液。在他们的研究样品中,3DP与纤维凝胶支架和非纤维凝胶/PLGA支架相比具有更好的机械强度。
“此外,进一步证实,基于非纤维的3D打印支架的机械强度很低,这不适合于组织再生。然而,基于复合纤维油墨的打印支架具有良好的机械性能。一般来说,复合油墨(天然和合成聚合物)是用不同的原理和方法打印的,即天然聚合物主要基于凝胶或油墨打印,而合成聚合物则主要通过熔融沉积模型打印。因此,打印基于天然和合成聚合物的复合支架通常需要多个喷嘴,每个喷嘴在加工过程中都要精确地对齐。”研究人员解释说。

电纺纤维、分散纤维和3D打印支架。(A)电纺明胶/PLGA纤维和(B)分散纤维的SEM图像。(C)不同温度(25°C、160°C和180°C)处理纤维膜的不同分散纤维的平均长度(*p<0。05,n=3)。(D)分散纤维粉末的图像。(E)图像显示由纤维(180°C处理)、HA溶液和PEO溶液组成的油墨,可从针头中挤出。(F)3D打印长方体支架。
他们继续努力克服在创造强大的、可行的结构方面的局限性,在纤维中加入明胶和聚乳酸(PLGA)——在室温、单喷嘴、一步成型的过程中制造出一种机械均匀的复合支架。
“在3DP组中,再生软骨(如混凝土)和支架链(如钢筋)在整个样本中被均匀整合,因此,再生软骨有效地增强了样品的机械强度,保持了原来的形状。”研究人员对3DP组进行了总结。
“由于纤维基复合油墨,3DP在潮湿状态下表现出良好的弹性,这明显优于用非纤维粉末制作的3D打印支架。最重要的是,新型支架与软骨细胞结合,在体内实现了令人满意的软骨再生和形状维持。这项研究为多个仿生支架的设计和制造提供了研究模型。”
生物打印、支架和各种不同结构的使用是当今3D打印研究中发展最快的领域之一,随着科学家们越来越接近能够制造出适合和可持续的、可移植的人体器官的最终目标。

3DP、3DF和DCM的显微结构。(a-c)不同孔结构的3D打印支架的扫描电镜图像。(d,g)不同放大率下3DF的SEM图像。(e,f,h)与(A)中的图像对应的不同放大倍数的3DP的SEM图像。(1)DCM的扫描电镜图像。