三维打印组织工程骨支架计算机辅助建模及快速成型技术

目的:建立适用于组织工程骨需求的支架材料CAD空间构型,支架结构实体微观模型及生物可降解组织工程骨支架。方法:将螺旋CT获得的DICOM格式文件输入MIMICS软件,将其生成的三维模型导入GEOMAGIC软件,提取外层轮廓,利用偏移功能模拟得到外层皮质骨。利用CATIA V5R17软件构建支架材料空间内部多孔微观模型单体,在空间合适坐标上阵列得到组织工程骨内部支架整体模型,通过变更单体构型快速建立多种整体支架构型。装配皮质骨与内部空间支架得到STL文件。采用PROJETTM3500三维打印机成型材料为光固化丙烯酸树脂,支撑材料为无毒可分解石蜡打印该模型,得到组织工程骨实体模型。后期利用生物可降解材料结合固高GXYZ303010-XYLE三维打印系统打印得到可降解组织工程骨支架。结果:成功的建立了骨组织支架微观结构CAD模型,并成功构建出该模型实体及生物可降解组织工程骨支架。结论:基于结合计算机逆向与正向工程建模技术,可快速建立多种符合组织工程骨要求的支架材料空间构型。其仿生三维微观模型对三维打印组织工程骨有着积极意义,结合三维打印机及适合的生物可降解材料便可快速成型出植入所需的组织工程骨生物支架。

骨组织工程中传统与仿生支架结构设计的差异

背景:多孔支架作为新骨生长的临时基质在骨修复过程中起着关键作用,其中多孔支架的结构设计是骨修复过程中的研究重点。目的:综述传统支架(规则、均匀的支架)和仿生支架(不规则、不均匀的支架)在骨组织工程研究领域的应用。方法:检索中国知网(CNKI)、维普、万方、Web of Science、Science Direct、PubMed、EI等数据库,选取2008年1月至2024年3月发表的文献,中文检索词为“骨组织工程,仿生支架,骨小梁,传统支架,骨修复,三周期极小曲面”,英文检索词为“bone tissue engineering,bionic scaffolds,bone trabeculae,traditional scaffolds,bone repair,TPMS”。最终纳入81篇文献进行综述。结果与结论:骨支架的结构设计是实现骨修复和骨再生的关键,骨组织工程中的支架技术已取得显著进展。传统的规则多孔支架因简单的制造流程和良好的机械性能被广泛应用,然而这类支架往往缺乏生物活性,难以模拟自然骨组织的复杂微环境,限制了其在促进细胞增殖和骨再生方面的能力。相反,仿生支架通过模拟自然骨组织的结构特征,提供了更适宜的生理微环境,促进了成骨细胞的增殖、分化及新骨的形成,为骨缺损有效治疗提供了新的思路。尽管仿生支架在理论上具有巨大的潜力,但在实际应用中仍面临诸多挑战,支架的生物相容性、生物活性及长期稳定性等因素仍需通过临床试验进行进一步验证。

三维打印组织工程骨支架的生物相容性实验研究

目的探讨以煅烧羊椎骨松质双相陶瓷粉末/聚乙烯醇(polyvinyl alcohol vinylalcohol polymer,PVA)生物高分子聚合物凝胶为原材料的新型三维打印组织工程骨支架成型方法,及支架的生物相容性。方法取健康、清洁级新疆阿勒泰大尾羊骨髓液培养羊骨髓间充质干细胞;取新鲜市售羊椎骨,去皮质骨,脱蛋白质、脱脂、煅烧后松质双相陶瓷精细研磨,钴60放射灭菌,与体积分数15%PVA溶剂体积比1∶2混合,制备成型材料。将建立好的STL格式文件导入固高GXYZ303010-XYLE三维打印系统,装配快速成型材料,采用熔融堆积成型法完成三维打印组织工程骨支架的成型。将羊骨髓间充质干细胞与灭菌三维打印组织工程骨支架在体外复合培养,扫描电镜观察羊骨髓间充质干细胞在三维打印组织工程骨支架中的生长情况;制备支架材料浸提液,采用MTT法检测三维打印组织工程骨支架对羊骨髓间充质干细胞增殖的影响,采用皮内刺激试验评价三维打印组织工程骨支架材料的生物相容性。结果三维打印法建立的组织工程骨支架具有良好的通透性,孔隙率为68.3%,孔隙间连通率为84.0%,具备一定的力学性能;三维打印组织工程骨支架浸提液对羊骨髓间充质干细胞的细胞毒性为0~1级,无明显细胞毒性;羊骨髓间充质干细胞可紧密附着于支架材料表面,黏附生长、增殖,并有突起向支架内部空隙伸展;皮内刺激试验结果表明三维打印组织工程骨支架对新疆阿勒泰大尾羊无刺激性。结论利用羊椎骨松质煅烧双相陶瓷粉末/PVA生物高分子聚合物成型的三维打印组织工程骨支架无刺激性、无明显细胞毒性,具有良好的生物学功能,有望应用于骨组织工程学。

3D打印中空管道双交联水凝胶组织工程支架

背景:在培养对结构、氧需求度较高的细胞时,需要构建一个具有中空管道结构的立体生物支架来保证细胞得到足够的营养与氧气。近年来,具有中空管道结构的水凝胶组织工程支架受到广泛关注。目的:以海藻酸钠为基础的生物支架材料结合同轴打印技术制备具有中空管道结构的组织工程支架,通过灌注方式接种细胞验证其生物相容性。方法:制备海藻酸钠-丙烯酰胺混合打印溶液,控制同轴打印过程中的内外层打印速度、海藻酸钠浓度、接收皿中氯化钙浓度等参数实现打印具有中空管道组织工程支架——海藻酸钠-聚丙烯酰胺双交联水凝胶,表征支架的微观形貌与弹性模量;将小鼠成纤维细胞灌注至组织工程支架中空管道内,利用活死细胞染色观察支架的细胞相容性。结果与结论:①通过探究打印过程中的打印参数,当内层打印速度不变时,中空管道的外径随着外层打印溶液的流速提升而提升,内径有略微提升;当外层打印溶液流速不变、内层溶液流速提升时,中空管道支架的外径基本不变,内径有明显提升;②实验结果显示海藻酸钠的最佳浓度为2.5%,过高的浓度不利于多层结构层与层之间的融合,过低的浓度制备出的水凝胶机械性能不足;③海藻酸钠-聚丙烯酰胺双交联水凝胶的弹性模量较高,普遍高于200 kPa,并且随着氯化钙浓度的提升而增大,在内层氯化钙浓度为2%、接收皿氯化钙浓度为0.3%时双交联水凝胶的弹性模量达到最大值(375 kPa);④组织工程支架灌注细胞体外培养后的活死细胞染色显示,细胞沿着中空管道轴向分布且具有较高的存活率,但细胞浓度小于灌注时的细胞浓度;⑤结果表明,海藻酸钠-聚丙烯酰胺双交联水凝胶具有较强的机械性能与良好的生物相容性,可应用在构建具有中空管道的组织工程支架中,并且“先制备支架、后接种细胞”的方式也避免了传统“细胞与打印溶液混合再进行制备”方式对支架材料及加工方式的限制。

生物矿物用于制备骨组织工程支架的工艺及性能

背景:近年来,生物矿物用于骨组织工程支架制备的方法得到了广泛研究,包括溶剂铸造法、冷冻干燥法、3D打印等,然而,生物矿物种类多样、成分复杂,对支架性能的影响和制备工艺的要求各不相同,尚需对其适用性进行系统研究。目的:探索生物矿物的研磨及筛选工艺,评价生物矿物与高分子基体复合材料的溶液流变特性、亲水性、力学性能和生物相容性。方法:选取5种具有代表性的生物矿物,分别为鳖甲、蛋壳、海螵蛸、鹿角霜和珍珠,将5种生物矿物研磨成粉并筛选,按照特定比例分别与聚己内酯混合制备成复合材料。通过对粉末的元素成分、粒径分布以及复合材料的溶液流变特性、亲水性、力学性能和生物相容性进行测试,探究生物矿物在骨组织工程中应用的可行性。结果与结论:①大多数生物矿物粉末遵循研磨时间越长粒径越小的规律,通过过筛等方法可以分离获取所需粒度范围内的生物矿物颗粒。元素面扫和傅里叶红外光谱分析表明,这5种生物矿物的主要无机矿物成分为碳酸钙和磷酸钙,都含有C、O、P、Ca 4种元素。②使用1,4-二氧六环溶解聚己内酯并添加生物矿物粉末制备支架的方法,不会导致复合材料成分上发生显著变化,并且不会降低复合材料的生物相容性。生物矿物粉末的加入能够改善聚己内酯材料的亲水性和可3D打印性,但会导致复合材料力学性能的下降。③结果表明,将生物矿物粉末应用于骨组织工程支架时应注意粉末添加比例的选择,以平衡复合材料的亲水性、可打印性和力学性能。

甲基丙烯酰明胶水凝胶作为细胞三维培养支架在骨组织工程中的应用

背景:骨缺损的治疗一直是临床医生亟待解决的临床难题,用甲基丙烯酰明胶进行细胞体外3D培养,可以为大面积骨缺损的治疗提供新的方向。目的:文章综述了甲基丙烯酰明胶作为3D细胞培养支架在骨组织工程中的研究进展,以期为临床骨缺损修复提供进一步的参考。方法:应用计算机检索中国知网及PubMed数据库1986年1月至2023年8月收录的文献,中英文检索词分别为“骨缺损,骨组织工程,生物支架材料,水凝胶,光交联水凝胶,甲基丙烯酰明胶,三维培养,细胞培养”和“Bone defect,Bone tissue engineering,Biomaterial scaffold,Hydrogel,Methylacrylyl photocrosslinked hydrogel,Three-dimensional culture;Cell culture”,最终纳入68篇文献进行综述分析。结果与结论:①同二维培养相比,3D培养可以在无菌条件下,构建立体三维空间,更好地模拟体内环境,为细胞提供合适的温度、酸碱度及足够的营养,使细胞能够在体外正常生长增殖并保持其正常结构与功能,具有独特优势。②在骨组织工程生物支架材料的选择中,水凝胶因其良好的生物相容性、可降解性及具有立体三维网络结构等优点,已被广泛应用于骨再生的研究。③甲基丙烯酰明胶的物理及生物性能受到浓度、光照时间及光引发剂种类以及反应体系等因素的影响,而这些性能均能对细胞的黏附、生长及增殖,甚至细胞形态及功能产生一定的影响。④甲基丙烯酰明胶因具有良好的生物相容性、物理可调节性、可注射性及光敏性能,已被广泛应用于3D细胞封装、3D生物打印及基于数字光处理的立体光刻技术等细胞3D培养体系中。⑤应用各类复合甲基丙烯酰明胶进行细胞的3D培养,可以更好地促进血管形成及骨再生,为临床骨缺损的治疗提供更多可能。⑥目前甲基丙烯酰明胶的来源、合成的方法以及安全性尚没有健全的标准,需要进一步加强研究,对甲基丙烯酰明胶在3D细胞培养领域的应用进行更深入的完善。

低温冷凝沉积法3D打印骨组织工程左旋聚乳酸/珍珠粉复合支架

背景:大面积骨缺损的修复目前仍面临严峻挑战,研发可个性化定制、低成本且具有成骨诱导活性的组织工程支架用于骨修复意义深远。目的:探索低温冷凝沉积法实现3D打印含珍珠复合材料骨组织工程支架的工艺流程,并进一步测试该复合支架的理化性能和体外生物学功能。方法:采用研磨过筛法制备珍珠粉,将不同质量的珍珠粉加入左旋聚乳酸墨水中,使珍珠粉与左旋聚乳酸的质量比分别为0,0.1,0.2,0.3,0.5,采用低温冷凝沉积法3D打印左旋聚乳酸/珍珠粉复合支架。检测支架的微观形貌、抗压性能、水接触角、细胞相容性以及体外促成骨分化能力。结果与结论:①扫描电镜显示5组支架均有直径2μm甚至更小的微孔,形状不规则且相互连通;②5组支架均具有良好的抗压性能,其中珍珠粉0.5组支架的压缩强度高于其他4组支架(P<0.05),珍珠粉0.2组、珍珠粉0.5组的水接触角小于珍珠粉0组(P<0.01,P<0.001);③将骨髓间充质干细胞分别与5组支架共培养1,3,5 d,珍珠粉0.1组、珍珠粉0.2组、珍珠粉0.3组、珍珠粉0.5组培养3,5 d的细胞增殖均快于珍珠粉0组(P<0.05);培养1 d的活死染色显示,各组支架上的细胞数量较少,但均为活细胞;④将骨髓间充质干细胞分别接种至珍珠粉0组、珍珠粉0.1组支架表面进行成骨诱导分化,珍珠粉0.1组诱导4,6 d的碱性磷酸酶活性高于珍珠粉0组(P<0.05);⑤结果表明,左旋聚乳酸/珍珠粉复合支架具有良好的抗压强度、亲水性、细胞相容性与促成骨性能。

三维打印双相磷酸钙陶瓷支架在骨组织工程中的应用

目的探索研究三维打印技术制备的由羟基磷灰石/β-磷酸三钙(HA/β-TCP)组成的双相磷酸钙陶瓷(BCP)支架在骨组织工程中的应用潜力,为其作为骨组织工程支架提供试验基础。方法通过三维打印技术制备质量比为3∶7的HA/β-TCP复合纳米支架,扫描电镜(SEM)观察支架形态。将支架与兔骨髓间充质干细胞共培养;通过CCK-8实验检测支架的生物相容性以及种子细胞在支架上的增殖分;并以相同材料制备的压模片进行比较。结果三维打印技术制备的双相磷酸钙陶瓷支架为三维均匀多孔隙结构,骨髓基质干细胞能够在此支架上很好的增殖,分化。结论三维打印制备双相磷酸钙陶瓷支架有较好的相容性,可促进细胞的分化,可作为细胞支架应用于骨组织工程中。

中药有效成分结合骨组织工程材料用于骨修复

背景:如何修复骨缺损一直以来是临床难题,中药有效成分在骨修复方面具有良好的生物活性与治疗效果,将中药有效成分与组织工程材料相结合在骨修复领域具有广阔的前景。不同中药有效成分与支架的组合在作用关系方面具有相似之处。目的:搜集常见的中药有效成分与支架材料组合的案例,基于七情配伍的启发将组织工程支架与中药有效成分类比为产生配伍关系的两类中药,以二者的作用关系为纲进行归纳总结。方法:检索1998年1月至2024年1月Pub Med和中国知网数据库中发表的相关文献,英文检索词:“traditional Chinese medicine,Chinese medicine,traditional Chinese medicine monomers,bone defect,bone repair,bone tissue engineering,tissue engineering,scaffold”,中文检索词:“中药,中药有效成分,中药单体,骨组织工程,骨组织工程支架,支架,组织工程,骨缺损,骨修复”,最终纳入88篇文献进行综述分析。结果与结论:(1)组织工程支架材料与中药有效成分各自均在骨修复领域有广泛的运用,二者在成骨方面优势明显但仍有许多缺陷,许多研究致力于将二者制备成复合材料,希望通过二者间的相互作用发挥减毒增效作用。(2)一些药物与材料在成骨、抗菌、促血管生成方面能互相促进,增强原有的效果,受到传统方剂配伍观念的启发,文章将其归纳为“相须”关系,并举实例佐证。(3)一些药物能提高材料的强度,而某些材料能对负载于其上的药物实现缓释控释效果、增加载药量与稳定性,或是进行靶向递送,文章将这种单方面的提升效果归纳为“相使”关系。(4)一些中药与材料搭配使用能减少对方的毒副反应,文章将这种减毒关系归纳为“相畏相杀”。(5)文章得出了一个由七情配伍关系启发、基于作用关系分类的关于中药复合支架的全新视角,将中药传统观念引入组织工程领域,为后续复合支架的研究者提供新的研究思路,并在选材搭配方面提供一定的便利。

梯度人工骨修复支架调控骨骼系统组织的修复与再生

背景:梯度人工骨修复支架模拟了骨骼系统中的独特特征,在骨骼系统再生中具有巨大的应用潜力。目的:综述梯度人工骨修复支架在骨骼系统组织工程中的最新研究进展,并阐述了其优势与制造策略。方法:由第一作者检索Web of Science和PubMed数据库2000-2023年发表的文献,英文检索词为“gradient,bone regeneration,scaffold”,最终筛选后对76篇文献进行分析总结。结果与结论:①作为骨骼系统组织高效、高质量修复的重要手段,梯度人工骨修复支架目前针对骨组织、骨-软骨、肌腱-骨组织的天然梯度特征进行了仿生设计,这些支架能够一定程度地从结构、成分上模拟原生组织的细胞外基质,从而促进细胞黏附、迁移、增殖和分化,促进受损组织向原生状态再生恢复。②先进制造技术为梯度人工骨修复支架制备提供了更多可能;目前已经开发了通过空间差异化纤维排布和生物活性物质加载构建的梯度电纺纤维支架;分层叠加、分级孔隙率与生物3D打印技术制造的梯度3D打印支架;原位分层注射、简单逐层叠加、冷冻干燥法制造的梯度水凝胶支架;另外还包括其他方式或多方法联用的支架;这些支架在体外实验中展示了良好的生物相容性,在小型动物实验中能够加速组织再生并且观察到组织学结构明显改善。③目前开发的梯度人工骨修复支架仍需进一步优化,提高在梯度尺度上的匹配性,进一步明确材料与组织相互作用,避免降解产物导致的副反应等问题,未来需要结合相关学科优势与临床需求进一步优化。

骨组织工程镁基支架的制备研究进展

骨组织工程为受损骨、病变骨的治疗提供了重要的途径。如何获得易于骨修复、高强度且具有良好生物相容性的支架,是当前骨组织工程支架应用的技术难点和研究热点之一。支架材料的种类及制备方法是影响骨组织工程结构及性能的主要因素。镁基合金因在生物相容性、降解行为等方面具有突出表现而受到了普遍的关注,被认为是一种前景广阔的骨组织工程支架材料。常见的骨组织工程镁基支架制备方法有熔体发泡法、渗流铸造法、固/气共晶定向凝固法和增材制造法等,然而现有制备方法在孔隙结构精细控制及造孔残留物对镁基支架生物相容性的影响等方面仍需进一步研究。本文综述了骨组织工程镁基支架的制备方法,分析了影响镁基支架孔隙结构和性能的因素,总结了每种制备方法的优缺点,并对未来的研究方向进行了展望。

温度响应性水凝胶在骨组织工程中的应用特征

背景:温度响应性水凝胶因具备类似于细胞外基质的结构、对温度具有智能敏感性,被广泛应用于骨组织工程。目的:阐述温度响应性水凝胶产生溶胶-凝胶相变的机制,根据其来源进行分类,总结各类温度响应性水凝胶在骨组织工程领域的应用。方法:由第一作者在中国知网、PubMed数据库检索2000-2024年发表的相关文献,中文检索关键词为“水凝胶,温度响应性水凝胶,骨修复,骨再生,骨组织工程”,英文检索关键词为“hydrogel,thermosensitive hydrogel,bone repair,bone tissue engineering,bone regeneration”,最终选取70篇符合标准的文献进行综述。结果与结论:温度响应性水凝胶的温敏机制根据反应不同可分为负敏感型和正敏感型,其组成主要分为天然聚合物与合成聚合物。目前的研究发现,温度响应性水凝胶除了以传统方式作为支架材料应用于骨组织工程,3D打印支架也逐渐兴起。除此之外,温度响应性水凝胶因自身特性还可应用于三维细胞培养与药物缓释等方面。目前对于温度响应性水凝胶的开发还不够完善,还存在不能精准控制相变温度、缓释速率、机械强度低、生物降解性低等问题,因此,开发出性能更加稳定的温度响应性水凝胶仍是目前应解决的问题。

骨组织工程支架材料在骨缺损修复及3D打印技术中的应用

背景:骨组织工程在骨缺损修复方面起着非常重要的作用,可呈递生物活性物质,促进骨组织生长,进而修复骨缺损,其中,支架是骨组织工程的三要素之一,3D打印技术可以实现骨组织修复的个体化治疗,从而个性化定制人工骨。目的:分析几种常用的骨组织工程支架材料的生物学特性,探讨3D打印技术在骨组织工程支架构建中的应用。方法:通过检索2005至2016年Pub Med和万方数据库有关骨组织工程支架材料和3D打印技术应用的相关文献。以"组织工程支架,骨缺损,高分子材料,陶瓷材料,金属材料,复合材料,3D打印"为中文检索词,"Tissue Engineering Scaffold,bone defects,polymer materials,Bioceramics,Metal Materials,Composite Materials,3D printing"为中文检索词,检索摘要内同时包含上述检索词的文献,排除重复性研究,最终纳入65篇文献进一步分析。结果与结论:(1)目前常用的骨组织工程支架材料包括聚合物材料(如天然聚合物材料和高分子聚合物材料)、生物陶瓷和金属材料等,根据材料的特性将不同材料复合可以弥补单一材料的缺点,并制备新型的组织工程支架材料;(2)用于组织工程骨制作的3D打印技术包括熔融沉积技术、选择性激光烧结技术、低温沉积制造技术等;(3)3D打印应用于骨组织工程支架构建时,所用的粉末或黏合剂需具备一定的条件,如流动性、稳定性与可湿性等;用于打印的粉末材料可分为人工合成多聚体、天然高分子聚合物、生物陶瓷及它们的混合物;不同粉末材料的粉末各自优缺点不同,且最终成型效果也不尽相同;(4)3D打印技术制作的骨组织工程支架在力学、结构、个性化方面有其独特的优势,在骨支架制造方面有广泛的应用前景。

骨组织工程三维复合支架修复兔桡骨骨缺损

背景:前期实验构建的丝素/壳聚糖/纳米羟基磷灰石复合支架具有良好的理化性质。目的:观察丝素/壳聚糖/纳米羟基磷灰石三维复合支架修复兔桡骨大段骨缺损的效果。方法:取新西兰大白兔36只,建立右侧桡骨长段骨缺损模型,随机均分为3组,实验组于骨缺损处植入丝素/壳聚糖/纳米羟基磷灰石复合支架,对照组于骨缺损处植入丝素/壳聚糖复合支架,空白对照组造模后不作任何处理。术后4,8,12,16周进行X射线摄片、标本大体观察、组织病理学观察。结果与结论:术后16周,实验组缺损区X射线影像与正常骨组织无区别,骨髓腔完全再通,有明显的骨组织生成,苏木精-伊红染色可见骨小梁和较多核深染的长梭形骨细胞;对照组X射线骨密度影略低于正常骨组织,部分骨髓腔再通,苏木精-伊红染色可见骨细胞周围有不少软骨细胞,未见明显的骨小梁或骨板结构,排列较紊乱;空白对照组断端骨钙化影同正常骨组织一致,断端各自封闭形成骨不连,苏木精-伊红染色可见较多的纤维组织和少量的类骨组织。表明丝素/壳聚糖/纳米羟基磷灰石三维复合支架可较好地修复兔桡骨大段骨缺损。

制备3D打印骨组织工程支架修复骨缺损的特征

背景:在骨缺损修复治疗中,为了恢复损伤处相应组织结构往往需要骨支架材料的植入。3D打印技术可精确模拟人体骨骼形貌并应用于骨组织修复和重建,这为骨缺损修复治疗提供了新的解决途径。目的:介绍3D打印骨组织工程支架的制备技术及材料选取,总结其在骨缺损修复治疗的应用。方法:作者以"3D printing materials,3D printing technology,bone defect,bone tissue engineering,active substances,clinical application;3D打印材料,3D打印技术,骨缺损,骨组织工程,活性物质,临床应用"为关键词,检索2009至2019年期间PubMed、Web of Science、Springerlink、Medline、万方、CNKI数据库中发表的相关文献。结果与结论:与传统制造技术相比,3D打印技术可制备出个性化及内部结构精确性的骨组织工程支架,能够克服传统支架内部结构可调控性差、外形与缺损处不匹配等缺陷。目前应用于骨组织支架制备的3D打印技术主要有熔融沉积成型、选择性激光烧结和近年来关注度比较大的生物3D打印等。目前较常使用的3D打印材料主要为金属、生物陶瓷、高分子聚合物和多种材料构成的复合材料等。3D打印骨组织支架在临床骨缺损治疗中不仅可很大程度上缩短手术和恢复时间,并且在术前诊断和术后康复上也有非常大的作用。

骨组织工程支架的制备方法研究进展

背景:由于自体骨源的数量较少,且使用异体骨会产生免疫排斥、疾病扩散等危险,因而人造骨材料在当今的骨移植中起到了不可替代的作用。伴随着功能定制、生物相容性的要求和生物可降解材料的出现,已经出现了多样化的生物材料和多种制备方法。目的:概述目前应用于骨组织工程支架的制备方法,总结各种制备方法的优缺点、研究现状与进展。方法:使用计算机在中国知网、万方数据、PubMed及ScienceDirect数据库检索2008年1月至2023年8月关于骨组织工程支架方面的文献,以“Tissue engineering,Bone scaffold,Gas foaming,Cryotropic gelation,Additive manufacturing等”为英文检索词,以“组织工程,骨支架,气体发泡,低温凝胶,增材制造等”为中文检索词,排除无关和重复性研究,共保留80篇文献进行了总结归纳。结果与结论:①相较于传统支架的制备工艺,近年来新兴的增材制造和静电纺丝技术在用于组织工程的复杂结构如骨和软骨的生产中,表现出了巨大的潜力。②增材制造方法除了在速度、精度和使用的材料范围方面更具优势,还提供了制造高度复杂的几何形状和拓扑优化结构的可行性,实现精确调节和构造结构的高重复性。③静电纺丝是生产一系列纤维垫的最具适应性和前景的技术之一。通过静电纺丝产生的纳米纤维支架是与细胞质基质微观结构非常惊人地相似的生物材料。④目前在陶瓷材料上以羟基磷灰石和磷酸三钙应用性能较好,在高分子材料上目前材料种类多样,以生物相容性优良的材料应用较多。⑤因此,在骨组织工程支架材料的选择上应更好地了解它们的特性,避免复杂化,以生产更具增强功能的支架。然而,目前报告的绝大多数文献对临床的适用性都是探索性的,具体适合哪种疾病的治疗还有待检验。未来骨支架的发展需体现在这几个方面:与缺失骨相匹配的力学性能、降解速率可控、促进骨再生力强以及附有特定功能。

骺板软骨细胞复合三维支架体外构建组织工程软骨的研究

目的 探讨将骺板软骨细胞复合三维支架经体外培养 ,构建组织工程软骨的效果及其生物学特点。 方法 将 3周龄幼兔第 1代骺板软骨细胞与液态的生物凝胶混合 ,接种于聚磷酸钙纤维 /L -聚乳酸 (CPPF/PL L A)三维支架材料 ,构建组织工程软骨组织块 ,连续培养 4周。行大体、倒置显微镜及组织学、 型和 型胶原免疫组织化学光镜观察 ,定量检测硫酸糖胺多糖 (GAG)含量。 结果 构建的组织工程软骨块在培养过程中能保持其初始外形 ,种子细胞呈稳定的三维均相分布 ,外观逐渐呈乳白色、半透明 ,硬度亦不断增加。培养 1周有软骨细胞陷窝形成 ,2周后形成富含 型胶原和蛋白聚糖、具有典型软骨组织结构的工程化软骨 ,且 型胶原逐渐转为阴性。 4周时构建软骨的组织结构与天然骺板软骨相类似 ,硫酸 GAG含量平均为天然骺板软骨的 34%以上。 结论 骺板软骨细胞复合三维支架体外培养可生成典型软骨 ,且可形成类似天然骺板软骨的组织结构 ,能满足修复骺板缺损的基本要求。体外培养 1～ 2周可能是植入体内修复骺板缺损的较佳时机。

骨组织工程支架3D打印系统的建立与支架宏微结构精度的可控性评价

目的:自主研发一种基于熔融沉积成形原理的骨组织工程支架3D打印系统,定量评价其打印聚乳酸(polylactide,PLA)、聚己内酯(polycaprolactone,PCL)制件的宏观和微观结构精度可控性。方法:系统硬件部分为基于三轴步进电机控制的单喷头熔融挤出材料的混元-Ⅰ型生物打印机,喷头直径为0. 3 mm,配套打印分层软件生成打印控制代码为Gcode格式文件。用Imageware设计长×宽×高为10 mm×10 mm×2 mm的长方体,保存成STL文件。将文件导入配套打印分层软件并设定长方体内部为均匀分布的长方体孔隙结构,打印层厚0. 2 mm,生成Gcode代码并用混元-Ⅰ型生物打印机分别打印PLA和PCL制件,每种材料重复打印10次。打印完成并充分自然冷却后取下,获得PLA、PCL打印制件(10个×2组)。用游标卡尺测量每个制件的宏观尺寸,每组任意选取3个制件用激光三维形貌测量显微镜扫描并测量每个制件层间重叠和无层间重叠区域的孔隙尺寸与实体支撑梁的直径。结果:所建立系统打印的PLA、PCL制件孔隙规则且相互贯通,宏观尺寸分别为PLA:长9. 950(0. 020) mm,宽9. 950(0. 003) mm,高1. 970(0. 023) mm; PCL:长9. 845(0. 025) mm,宽9. 845(0. 045) mm,高1. 950(0. 043) mm。内部结构PLA、PCL层间重叠部分支撑梁直径稍有增粗,前者较明显。各测量值中PLA层间重叠区域孔隙(274. 09±8. 35)μm与设计值差值最大,为26. 91μm。结论:应用自主研发的组织工程支架3D打印系统可完成PLA、PCL多孔支架的打印,该系统对宏观、微观结构的可控性满足研究应用需求。

缓释左氧氟沙星三维丝素蛋白/壳聚糖/纳米羟基磷灰石复合骨组织工程支架材料的制备与表征

背景:课题组前期实验成功制备了三维丝素蛋白/壳聚糖/纳米羟基磷灰石复合骨组织工程支架材料。目的:制备缓释左氧氟沙星的三维丝素蛋白/壳聚糖/纳米羟基磷灰石复合骨组织工程支架材料,探讨其机械性能、物理特性和化学构成及抗生素缓释能力。方法:采用乳化固定过滤方法制备左氧氟沙星/壳聚糖载药微球,其中左氧氟沙星与壳聚糖的质量比为3/1。将5,7.5,10 g的载药微球分别加入质量分数2%的丝素蛋白/壳聚糖/纳米羟基磷灰石混合溶液中,通过冷冻干燥化学交联得到负载抗生素支架。对负载抗生素的支架进行扫描电镜观察、化学成分分析、药物缓释性能及力学、孔隙率、吸水膨胀率、热水溶失率检测。结果与结论:①扫描电镜显示,支架内壁可见载药微球,并且随着载药微球质量的增加,负载抗生素支架的空隙密度逐渐减小;②能谱分析显示,3种负载抗生素支架均含有丰富的钙离子、磷离子;③3种负载抗生素支架的释放趋势相同,在前3 d释放大于50%,呈突释效应,而后进入相对平稳的释放阶段;负载10 g载药微球支架的药物释放速率最慢,负载5g载药微球支架的药物释放速率最快;④随着载药微球质量的增加,负载抗生素支架的抗压能力与抗牵张能力逐渐增加,孔隙率、平均孔径、吸水膨胀率逐渐减小,热水溶失率逐渐增加;⑤结果表明,采用冷冻干燥化学交联法可合成负载氧氟沙星的三维骨组织工程支架,其具有良好的缓释性能、抗压抗压缩能力、吸水率及热水溶失率。

构建骨组织工程支架中应用的3D打印技术

背景:3D打印技术自20世纪末出现以来逐渐应用在医学领域已成为一种趋势。近年来3D打印技术被广泛用于骨组织工程支架材料的成型,并取得了一些令人惊喜的成果。目的:文章从骨组织工程支架基本概念、3D打印的基本原理和流程、3D打印应用于构造支架的要求以及不同的粉末材料等方面进行阐述,分析其优势与目前存在的局限性,并对未来3D打印在骨组织工程支架中的应用进行展望。方法:第一作者应用计算机检索1990年1月至2015年2月MEDLINE数据库、Science Direct全文数据库、中国期刊全文数据库、维普中文期刊网等有关3D打印技术在构建骨组织工程支架中应用的文章,检索词"3D打印,组织工程学,快速成型技术,支架,材料",排除重复性研究。文章共检索到52篇相关文献,其中33篇文献符合纳入标准。结果与结论:3D打印技术具有高精度、构建速度快、可按需制造实现个性化定制等优势。3D打印应用于骨组织工程支架构建时,所用的粉末或黏合剂需具备一定的条件,如流动性、稳定性与可湿性等。用于打印的粉末材料可分为人工合成多聚体、天然高分子聚合物、生物陶瓷及它们的混合物。不同粉末材料的粉末各自优缺点不同,且最终成型效果也不尽相同。3D打印技术也存在一些包括费用昂贵、不易大规模生产等方面的局限性。但尽管如此,3D打印的临床应用前景一片光明。