可低温打印的新型聚酯型3D打印材料的合成与性能研究

以生物基化学品1,4-丁二酸、1,4-丁二醇、1,2-丙二醇为聚合单体,钛酸四丁酯为催化剂,采用熔融缩聚法合成了不同醇酸摩尔比和不同1,2-丙二醇含量的聚(丁二酸-丁二醇-1,2-丙二醇)(PBSP),研究其热学性能、热稳定性和低温3D打印性能。结果表明:引入1,2-丙二醇可以降低聚丁二酸丁二醇酯熔点、改善熔体流动性,得到一种适用于熔融沉积成型技术的可低温打印、无毒、可降解的3D打印材料;当醇酸摩尔比为1.13、1,2-丙二醇占醇摩尔分数为0.1时,PBSP聚酯为实现低温3D打印的优选材料。

低温沉积3D打印负载基质细胞衍生因子1的分级多孔软骨复合支架

背景:基于原位组织工程再生技术的飞速发展,促进体内干细胞募集策略为软骨损伤修复提供了新的方向。目的:通过低温沉积3D打印技术构建负载基质细胞衍生因子1的分级多孔细胞外基质支架。方法:采用化学法制备脱细胞软骨细胞外基质。制备脱细胞软骨细胞外基质匀浆,并加入基质细胞衍生因子1,作为生物墨水,采用低温沉积3D打印技术构建分级多孔细胞外基质支架,通过大体观及扫描电镜观察支架的微观结构,通过CCK-8、死活染色及鬼笔环肽骨架染色评价支架的生物相容性,检测支架的体外缓释性能,通过Transwell实验检测支架对骨髓间充质干细胞迁移的影响。结果与结论:①扫描电镜显示,打印的细胞外基质支架呈现分级多孔的结构,孔径分布均匀,纤维交错排列,孔与孔之间相互贯通;②CCK-8实验显示,细胞外基质支架无明显的细胞毒性;死活染色显示,骨髓间充质干细胞能够很好地在细胞外基质支架上生长;鬼笔环肽骨架染色显示,骨髓间充质干细胞在细胞外基质支架上能够很好地铺展开,呈梭形;③细胞外基质支架具有良好的缓释性能,在前7 d内较快速地释放基质细胞衍生因子1,累计释放率达约60%,1-4周释放细胞因子速度逐渐减缓,4-6周的释放规律类似于零级释放动力学,42 d累计释放率约达80%,并且仍有缓慢释放的趋势;④Transwell迁移实验显示,基质细胞衍生因子1可提升细胞外基质支架募集干细胞的能力;⑤结果表明,基质细胞衍生因子1可提高低温沉积3D打印细胞外基质支架募集骨髓间充质干细胞的能力。

低温3D打印复合万古霉素/PLGA/TCP骨修复材料的制备与性能评估

目的:采用低温3D打印技术制备复合万古霉素的PLGA/TCP多孔骨缺损修复支架材料,并对其生物相容性和抑菌效果进行检测,旨在使支架材料促进骨缺损修复的同时,兼具局部抗感染的能力。方法:按15%PLGA+1.5%TCP+1.5%万古霉素的比例,应用低温快速3D打印技术制备了40%、60%和80%三种不同孔隙率的骨缺损修复支架材料,并对该材料进行表面形态观察和测量、细胞毒性检测、万古霉素缓释能力实验和抑菌效果检测。结果:扫描电子显微镜观察支架材料见其互连通性好,大孔直径在550μm左右,孔连通率在90%以上。三种不同孔隙率的支架材料均无细胞毒性,孔隙率为80%的支架材料在万古霉素缓释能力和抑菌效应方面要显著优于孔隙率为40%和60%的支架材料。结论:应用低温3D打印技术可以直接在生物墨水中加入注射用万古霉素粉剂,制备出具有良好三维结构的复万古霉素/PLGA/TCP的多孔支架材料,该支架孔通率高,互连通性好,而且当孔隙率为80%的支架材料在万古霉素缓释能力及抑菌效应方面有着更优的表现,可视为一种具有潜在临床应用价值的支架材料,尤其适用于感染性骨缺损的修复。

微型低温FDM 3D打印机开发研究

为了将传统的FDM 3D打印机更好地应用到教育领域,特开发了适合儿童及零基础成人的3D打印机。该设备采用低温聚己内酯材料以确保使用安全,另外其外形尺寸小巧适合家庭等场景使用。在操作方面采用内置云端模型库的方式降低了建模的难度,精度方面采用直角坐标模式及双直线导轨来保证,集成控制单元选择使用乐积科技的LERDGE-K来操控打印机的动作,保证其有序完整地完成打印过程。

组织工程中低温3D打印技术

3D打印属于快速成型技术的一种，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

基于低温沉积打印技术构建分级多孔脱细胞华通胶支架

目的 制备分级多孔的脱细胞华通胶支架,评价其生物相容性。方法 从临床上获得人脐带,并分离出华通胶组织,通过组织学染色观察其生物学成分。采用Na OH溶液对华通胶进行脱细胞处理,采用苏木精-伊红(HE)及DAPI染色观察脱细胞效果,扫描电镜评估脱细胞前后胶原保留情况。通过低温沉积3D打印技术制备分级多孔脱细胞华通胶支架,采用扫描电镜观察其内部微观结构。采用CCK-8实验检测分级多孔支架的细胞毒性。将第三代大鼠骨髓间充质干细胞接种于支架上,培养7 d后分别进行活/死染色和细胞鬼笔环肽微丝骨架染色观察。将第三代大鼠骨髓间充质干细胞接种于支架上,加入成软骨诱导培养基培养14d后,通过q RT-PCR法检测成软骨分化相关基因(SOX9、ACAN、COLII、COLI)的表达水平。结果 (1)人脐带呈条索状,由外层的羊膜、华通胶、两条脐动脉和一条脐静脉组成,分离出的华通胶为乳白色,呈胶状;(2)HE染色显示,华通胶富含细胞外基质;番红-O染色显示,华通胶富含糖胺多糖成分;天狼猩红染色显示,华通胶富含胶原成分;甲苯胺蓝染色显示,华通胶富含糖胺多糖成分;(3)经脱细胞处理好,华通胶色泽变得透明。HE及DAPI染色显示,脱细胞华通胶无细胞核结构;扫描电镜显示,脱细胞后,华通胶保留了很好的胶原成分;(4)通过低温沉积3D打印的支架,扫描电镜显示,支架内部呈现分级多孔的微观结构;(5)CCK-8细胞毒性实验显示,打印的支架无明显的细胞毒性;(6)活/死细胞染色显示,骨髓间充质干细胞能够在分级多孔的支架上保持很高的活性(96.0±3.3)%;(7)鬼笔环肽微丝骨架染色显示,骨髓间充质干细胞能够很好地在分级多孔的支架铺展开;(8)qRT-PCR结果显示,相比于普通的平板培养,支架能够促进骨髓间充质干细胞成软骨分化相关的基因表达。结论 脱细胞华通胶富含胶原、糖胺多糖等成分,低温沉积3D打印的脱细胞华通胶支架具有分级多孔的微观结构,具有良好的细胞相容性,有利于细胞的生长和黏附,并且可以促进骨髓间充质干细胞的成软骨分化。

基于低温沉积3D打印技术构建新型组织工程半月板支架的研究

目的基于低温沉积3D打印技术构建新型组织工程半月板支架,评价该支架理化性质及生物相容性。方法取新鲜猪膝关节半月板,采用改良物理化学联合方法脱细胞处理,获得脱细胞半月板基质匀浆;经大体观察、HE及DAPI染色观察脱细胞效果,甲苯胺蓝、番红O及天狼猩红染色评估黏多糖和胶原保留情况。然后制备脱细胞半月板基质生物墨水,通过低温沉积3D打印技术制备新型组织工程半月板支架。扫描电镜观察微观结构;与脂肪来源干细胞共培养后,采用细胞计数试剂盒8(cell counting kit 8,CCK-8)检测支架细胞相容性,死/活细胞染色和细胞骨架染色观察细胞活性和形态;植入大鼠皮下后组织学染色评估支架炎症细胞浸润与降解情况。结果脱细胞处理后半月板基质匀浆呈透明凝胶状,DAPI和组织学染色示免疫原性的核酸去除,同时黏多糖及胶原成分保留。采用低温沉积3D打印技术成功构建新型组织工程半月板支架,扫描电镜示支架呈分级大孔-微孔的微观结构;CCK-8检测示支架具有良好细胞相容性;死/活细胞染色示支架可有效维持细胞活性(>90%);细胞骨架染色示支架有利于细胞黏附和铺展;支架植入大鼠皮下1周后有轻度炎症反应,3周后未见明显炎症反应,并可见支架逐步降解。结论基于低温沉积3D打印技术构建的新型组织工程半月板支架具有分级大孔-微孔的微观结构和良好细胞相容性,有利于细胞黏附和生长,为下一步体内研究奠定基础。

京尼平交联3D打印胶原/壳聚糖支架的表征

背景:胶原/壳聚糖支架需交联才能达到相应力学性能,有研究表示调节交联剂浓度可以在一定范围内调控支架的理化性能。目的:探究京尼平浓度对胶原/壳聚糖支架理化性能的影响,制备理化性能可调节的组织工程支架。方法:将胶原和壳聚糖粉末分别溶于弱酸后混合均匀,作为打印墨水,利用生物3D打印机低温打印胶原支架与胶原/壳聚糖支架,经冻干、中和处理后分别以1,3,5 mmol/L的京尼平进行交联。检测各组支架的表观结构稳定性、抗拉能力、溶胀性能、降解性能与生物相容性。结果与结论:①将支架在PBS中浸泡3 d后,对比未交联的冻干支架,交联后胶原支架表面维持规则的孔结构,但是支架出现明显变形;交联后胶原/壳聚糖支架表面结构规则,仅1 mmol/L京尼平交联的胶原/壳聚糖支架存在轻微变形。②随着京尼平浓度的增加,各组支架的力学性能增加,并且对应交联浓度下的胶原/壳聚糖支架力学性能好于胶原支架。③随着京尼平浓度的增加,胶原支架的溶胀率下降,胶原/壳聚糖支架的溶胀率无明显变化。④浸泡于胶原酶溶液中后,不同浓度京尼平交联的胶原支架在1 h内被完全降解,胶原/壳聚糖支架的降解速率随京尼平浓度的增加而降低,均呈现先快速后平缓的趋势。⑤将骨髓间充质干细胞接种于各组交联支架3 d后,1,3 mmol/L京尼平交联的胶原/壳聚糖支架(或胶原支架)上的细胞数量明显多于5 mmol/L京尼平交联的胶原/壳聚糖支架(P<0.05)。⑥结果表明,京尼平可在一定范围调节胶原/壳聚糖支架理化性能,其中3 mmol/L京尼平交联的胶原/壳聚糖支架具有较好的力学性能、抗酶解能力与生物相容性。

低温3D打印联合冷冻干燥技术制备组织工程骨支架的研究

目的探讨采用低温3D打印联合冷冻干燥技术制备组织工程骨支架的方法,评价支架细胞相容性。方法取新鲜牛肌腱及家蚕生丝分别制备胶原蛋白(collagen,COL)、丝素蛋白(silk fibroin,SF)。采用计算机辅助软件Solid Works2014设计大小为9 mm×9 mm×3 mm、孔径为500μm的支架模型,以质量比9∶3∶2的COL、SF和纳米羟基磷灰石(nano-hydroxyapatite,n HA)混合物为原料,采用低温3D打印联合冷冻干燥技术构建COL/SF/n HA复合支架。大体观察结合扫描电镜观测支架形态及表面结构;采用力学试验机测量支架压缩位移、压缩应力及弹性模量,分析力学性能;将支架与MC3T3-E1细胞共培养1、7、14、21 d,倒置显微镜及扫描电镜观察细胞生长情况,MTT法检测细胞增殖情况,RT-PCR及Western blot检测MC3T3-E1细胞COLⅠ、ALP及骨钙素(osteocalcin,OCN)基因及蛋白表达情况。结果低温3D打印联合冷冻干燥技术成功制备COL/SF/n HA复合支架,扫描电镜示支架为大孔及微孔共存的3D多孔径立体结构。支架弹性模量为(344.783 07±40.728 55)k Pa,压缩应力为(0.062 15±0.007 15)MPa,压缩位移为(0.958 41±0.000 84)mm。共培养后倒置显微镜、扫描电镜观察及MTT检测均显示,随时间延长,支架表面大量细胞黏附,伸展充分,大孔孔壁上细胞生长良好,数量逐渐增多。RTPCR及Western blot检测示,MC3T3-E1细胞COLⅠ、ALP及OCN基因及蛋白均表达。结论低温3D打印联合冷冻干燥技术可精确控制支架微观结构,得到大孔、微孔共存的组织工程骨支架,且细胞相容性良好,为下一步骨缺损修复研究奠定基础。

万古霉素/PLGA/TCP多孔复合材料修复羊感染性骨缺损

目的在成功制备万古霉素/PLGA/TCP的多孔复合材料的基础上,建立羊股骨感染性骨缺损模型,将复合支架植入骨缺损,观察其修复感染性骨缺损的效果。方法建立苏博美利奴羊右侧股骨感染性骨缺损模型,随机分为三组,实验组1(3D多孔支架组)植入万古霉素/PLGA/TCP多孔复合材料,实验组2(骨水泥珠链组)植入含有万古霉素的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)珠链,对照组1(对照组)不植入任何材料,为单纯的骨缺损组,术后各时相点抽血测量羊血中白细胞数目、血沉和C反应蛋白变化;局部活组织检查进行万古霉素含量及活性测定;二次手术后12周取材,行X线片检查及HE染色组织学分析,观察支架的降解及骨生长情况。结果所有实验动物存活。3D多孔支架组与骨水泥珠链组都具有良好的抗感染效果,手术后4、8、12周的血沉和CRP值明显下降,与对照组相比,差异有统计学意义(P<0.05)。影像学及组织学结果表明,与对照组相比,3D多孔支架组骨缺损范围明显缩小(P<0.01),可见更多的骨长入(P<0.05),骨缺损局部炎性细胞浸润不明显;与对照组相比,骨水泥珠链组炎性反应轻微,相反对照组局部组织可见大量炎性细胞浸润,炎性反应明显。结论采用生物打印技术制备的万古霉素/PLGA/TCP的多孔复合材料不仅可以掺加抗感染的药物,还可以根据骨缺损的形状定制植入材料,有望实现在有效抗感染的同时,促进骨缺损的修复。