解析:3D打印高强度生物活性水凝胶用于骨组织修复

12bet备用网址官网2017年6月23日讯  水凝胶是以水为分散介质的凝胶。具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基,亲水残基与水分子结合,将水分子连接在网状内部,而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。水凝胶是一类具有三维网络结构的聚合物,在水中能够水凝胶吸收大量水分而溶胀,并在溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。

天津大学刘文广教授课题组、中科院先进技术研究院的阮长顺副研究员、香港大学李嘉诚医学院的吕维加教授课题组日前在ACS Biomaterials Science & Engineering上发表了一篇介绍专用于支持骨细胞生长的3D打印材料的文章:3D-printed high strength bioactive supramolecular polymer/clay nanocomposite hydrogel scaffold for bone regeneration,论文的第一作者为翟欣昀博士。

该聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)—粘土(PNAGA-Clay)纳米复合水凝胶的研究首次将三维打印高强度水凝胶支架应用于骨组织修复中。

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水凝胶广泛用于组织再生,因为其分子结构与生物体内天然的细胞外基质(ECM)相似。其作用都是为周围的活细胞提供结构和营养。支撑结构和营养环境因组织类型而异,例如动脉需要管状结构,骨细胞则在多孔材料中繁殖得更好。

凝胶中PNAGA侧链双酰胺多重氢键作用,赋予了该凝胶体系优异的力学性能——打印出的支架可以被随意弯折,甚至能承受汽车车体的碾压且能迅速恢复原貌,承受高压后的支架结构保持良好。同时,该凝胶支架在PBS溶液中长期浸泡后,不会发生明显溶胀且稳定性良好,该特性对于三维打印水凝胶支架后形貌的保持至关重要。

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本研究通过利用3D打印的方式注入凝胶和粘土颗粒—一种与人骨自然相似的材料,用于治疗不同程度的骨折。材料的基础是氢键,通过紫外线反应及可附着的分子,显示出高度灵活的机械性能。研究人员通过添加不同量的粘土颗粒来控制材料的结构和流动之间的平衡。

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打印体系中纳米粘土作为物理交联剂的引入在进一步提高凝胶支架力学强度的同时,实现了常温下先打印后聚合的易于操作的三维打印方法,且打印后的三维支架在光引发聚合前结构保持良好,不会发生塌陷。更重要的是体内体外实验均表明,纳米粘土中含有的活性离子,可以促进成骨细胞在支架上的增殖以及分化,并有效地促进新生骨组织在缺损部位甚至支架内部的生长。

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总而言之,氢键单体与各种生物活性无机纳米粒子的3D打印将为用于治疗精确和个体化修复骨缺损和退化构建承载组织工程支架开辟新的途径。

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