靜電紡絲在3D打印仿生支架中的應用

來源:3D打印商情    關鍵詞:3D打印,3D打印技術,3D打印運用,    發布時間:2019-06-17

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在論文《用于軟骨再生的3D打印電紡纖維支架》中,中國研究人員試圖改進在生物打印中創造更好材料和定制幾何形狀的工藝。為此,他們不僅采用3D打印,而且還采用冷凍干燥工藝來制造由電紡纖維制成的墨水。
生物打印的挑戰很大程度上在于保持細胞存活——在大多數情況下,這些細胞需要一種結構來提供生存的穩定性,無論是在體內還是在實驗室中。對于參與組織工程的科學家來說,關鍵是盡可能地模擬細胞外基質(ECM)。最近的發展趨勢包括使用纖維網絡制造支架,而靜電紡絲則提供了一種成功的制造模式。

各種電紡纖維支架的原理圖。(A)傳統纖維支架——電紡纖維膜。(B)3D纖維支架,由分散的電紡纖維經冷凍成型而成。(C)3D打印纖維支架的合成步驟。
然而,由于靜電紡絲過程中產生的纖維通常會導致孔尺寸不足和厚度低于“塊狀支架”的2D膜,因此也會出現挑戰。這些障礙并沒有阻止研究人員進行生物打印,正如本研究的作者一樣,這些障礙已經引起了人們對進一步探索的關注。
過去的研究包括多種不同的技術,如多層次、液體輔助收集和模板輔助收集。盡管如此,他們還沒有在尺寸良好的3D打印復雜腳手架上取得成功。作者進一步研究了理論,同時也概述了如何利用智纖維單纖維結構,更有效的粘合和擠出技術以及機械性能的改進來應對以往的挑戰。然后,他們進行了以下試驗:
·靜電紡絲、脫水、均質化和蒸發干燥,將纖維轉化為短的單纖維粉末。
·將纖維粉末、透明質酸(HA)溶液和聚氧化乙烯(PEO)溶液混合制成3D打印墨水。
·凍凍干燥和交聯
隨后,研究小組評估了軟骨的機械性能、孔隙大小和形態,并在體外和體內檢查了軟骨再生模型。最終,研究人員發現他們的技術是成功的,結果是產生準確性、大孔隙、和良好的機械性能。這項研究還表明,他們能夠創造以下情況:
·適宜的ECM仿生表面;
·彈性;
·水誘導形狀記憶;
·良好的體內軟骨再生;
與以前的研究相比,干蒸發技術在這里取得了更大的成功,并且也增加了交聯后的HA和PEO水溶液。在他們的研究樣品中,3DP與纖維凝膠支架和非纖維凝膠/PLGA支架相比具有更好的機械強度。
“此外,進一步證實,基于非纖維的3D打印支架的機械強度很低,這不適合于組織再生。然而,基于復合纖維油墨的打印支架具有良好的機械性能。一般來說,復合油墨(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膠或油墨打印,而合成聚合物則主要通過熔融沉積模型打印。因此,打印基于天然和合成聚合物的復合支架通常需要多個噴嘴,每個噴嘴在加工過程中都要精確地對齊。”研究人員解釋說。

電紡纖維、分散纖維和3D打印支架。(A)電紡明膠/PLGA纖維和(B)分散纖維的SEM圖像。(C)不同溫度(25°C、160°C和180°C)處理纖維膜的不同分散纖維的平均長度(*p<0.05,n=3)。(D)分散纖維粉末的圖像。(E)圖像顯示由纖維(180°C處理)、HA溶液和PEO溶液組成的油墨,可從針頭中擠出。(F)3D打印長方體支架。
他們繼續努力克服在創造強大的、可行的結構方面的局限性,在纖維中加入明膠和聚乳酸(PLGA)——在室溫、單噴嘴、一步成型的過程中制造出一種機械均勻的復合支架。
“在3DP組中,再生軟骨(如混凝土)和支架鏈(如鋼筋)在整個樣本中被均勻整合,因此,再生軟骨有效地增強了樣品的機械強度,保持了原來的形狀。”研究人員對3DP組進行了總結。
“由于纖維基復合油墨,3DP在潮濕狀態下表現出良好的彈性,這明顯優于用非纖維粉末制作的3D打印支架。最重要的是,新型支架與軟骨細胞結合,在體內實現了令人滿意的軟骨再生和形狀維持。這項研究為多個仿生支架的設計和制造提供了研究模型。”
生物打印、支架和各種不同結構的使用是當今3D打印研究中發展最快的領域之一,隨著科學家們越來越接近能夠制造出適合和可持續的、可移植的人體器官的最終目標。

3DP、3DF和DCM的顯微結構。(a-c)不同孔結構的3D打印支架的掃描電鏡圖像。(d,g)不同放大率下3DF的SEM圖像。(e,f,h)與(A)中的圖像對應的不同放大倍數的3DP的SEM圖像。(1)DCM的掃描電鏡圖像。
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