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深圳先進院等在生物3D打印精準構建仿骨骼徑向結構材料取得進展

近日,中國科學院深圳先進技術研究院醫藥所退行性中心的阮長順、潘浩波和哈爾濱工業大學富宏亞多團隊交叉協作,提出一種可用于擠出式3D打印的仿天然骨組織“松質骨-皮質骨”徑向連續孔隙調控的骨組織工程支架構筑策略,將分形學理論結合骨組織工程支架生物制造中,克服了傳統擠出式3D打印技術難以實現徑向梯度孔隙結構的困難。 相關研究成果以“Fractal Design Boosts Extrusion-Based 3D Printing of Bone-Mimicking Radial-Gradient Scaffolds”為題,發表在綜合性領域權威期刊Research。哈爾濱工業大學與中國科學院深圳先進院醫藥所聯合培養博士研究生屈華偉為論文第一作者,醫藥所阮長順研究員、潘浩波研究員和哈爾濱工業大學富宏亞教授是論文的通訊作者。

臨界骨缺損修復作為骨科面臨的主要問題之一嚴重影響人們的健康和生活質量。人體天然骨組織由高孔隙率的松質骨和低孔隙率的密質骨組成,具有緊密的徑向梯度結構。如何實現骨植入修復材料具有天然骨組織徑向梯度結構一直是骨組織工程研究領域的難點。擠出式3D打印,因其操作簡單、可用材料范圍廣、易于細胞打印等優點得到廣泛應用,目前雖有一些文獻通過調整擠出絲束直徑和分布間距等參數來設計具有軸向梯度孔隙的支架,但對于支架沿徑向梯度變化的研究仍具挑戰。

仿生徑向梯度骨組織工程支架的設計示意圖

鑒于此,該團隊受分形理論的啟發,基于科赫雪花的迭代規則設計、定義了分形支架的分形曲線的單元線條。通過將分形單元線條進行圓周陣列得到分形層,并設計圓環層使其在擠出式3D打印堆積成型的過程中與分形層相互支撐。此外,為了參數化構建徑向梯度骨組織工程支架,還搭建了“設計-分析-制造”的工作流。研究結果表明所構建的仿生徑向梯度支架在孔隙結構、滲透性能、機械性能等方面展現優異的梯度特征。

該項目得到國家重點研發計劃、國家自然基金、中國科學院青促會、廣東省及深圳市基礎研究等項目資助。

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