深圳先进院等在生物3D打印精准构建仿骨骼径向结构材料方面取得进展
发布时间：2021-12-31 来源：医药所退行中心
近日，中国科学院深圳先进技术研究院医药所退行性中心的阮长顺、潘浩波和哈尔滨工业大学富宏亚多团队交叉协作，提出一种可用于挤出式3D打印的仿天然骨组织“松质骨-皮质骨”径向连续孔隙调控的骨组织工程支架构筑策略，将分形学理论结合骨组织工程支架生物制造中，克服了传统挤出式3D打印技术难以实现径向梯度孔隙结构的困难。
相关研究成果以“Fractal Design Boosts Extrusion-Based 3D Printing of Bone-Mimicking Radial-Gradient Scaffolds”为题，发表在综合性领域权威期刊Research。哈尔滨工业大学与中国科学院深圳先进院医药所联合培养博士研究生屈华伟为论文第一作者，医药所阮长顺研究员、潘浩波研究员和哈尔滨工业大学富宏亚教授是论文的通讯作者。
临界骨缺损修复作为骨科面临的主要问题之一严重影响人们的健康和生活质量。人体天然骨组织由高孔隙率的松质骨和低孔隙率的密质骨组成，具有紧密的径向梯度结构。如何实现骨植入修复材料具有天然骨组织径向梯度结构一直是骨组织工程研究领域的难点。挤出式3D打印，因其操作简单、可用材料范围广、易于细胞打印等优点得到广泛应用，目前虽有一些文献通过调整挤出丝束直径和分布间距等参数来设计具有轴向梯度孔隙的支架，但对于支架沿径向梯度变化的研究仍具挑战。
鉴于此，该团队受分形理论的启发，基于科赫雪花的迭代规则设计、定义了分形支架的分形曲线的单元线条。通过将分形单元线条进行圆周阵列得到分形层，并设计圆环层使其在挤出式3D打印堆积成型的过程中与分形层相互支撑。此外，为了参数化构建径向梯度骨组织工程支架，还搭建了“设计-分析-制造”的工作流。研究结果表明所构建的仿生径向梯度支架在孔隙结构、渗透性能、机械性能等方面展现优异的梯度特征。
该项目得到国家重点研发计划、国家自然基金、中国科学院青促会、广东省及深圳市基础研究等项目资助。
仿生径向梯度骨组织工程支架的设计示意图