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        同步光固化3D打印,構建高延展性水凝膠支架用于顱骨修復
        2019-10-04  來源:捷諾飛  作者:捷諾飛
        【導讀】
        創傷性腦損傷的傷者在顱骨切除術和顱骨修復術兩場手術間需承擔腦組織失去屏障帶來的炎癥風險。上海交通大學附屬第一人民醫院宋滇文教授和東華大學武培怡教授一起在Advance Functional Materials上發表了一項研究,利用捷諾飛研發的生物3D打印機的同步光固化噴頭,打印出具有高彈性和生物活性的雙網絡水凝膠生物支架,有望實現顱骨切除后的直接修復,避免二次手術。

        傳統的顱骨修復材料的延展性很差,會因傷后變化的顱內壓對腦組織產生損傷,無法直接在顱骨切除術后植入。理想的顱骨修復材料應該在保證足以保護腦組織的高強度的同時兼具可以應對變化的顱內壓的彈性和延展性以實現直接植入,避免二次手術。本文提出的雙網絡水凝膠生物支架在用于顱骨修復時有以下優勢:一,可適應顱內壓變化的高延展性;二,能保護顱內組織的高模量;三,多孔結構實現營養物質的交換;四,促進骨組織修復的生物相容性和生物活性;五,自然可降解,無需手術取出。

        圖1. 創傷性腦損傷的治療流程

        在打印過程中,前驅物在擠出時受到紫外光同步照射,使丙烯酰胺單體發生聚合反應后固化。同步光固化的方式確保了打印材料擠出后立即固化,提升了打印的均一性,避免了材料的坍塌和變形。
        打印完成后,生物支架在氯化鈣溶液中浸泡2個小時,使海藻酸鈉發生交聯,形成雙網絡水凝膠生物支架。

        圖2. 雙網絡水凝膠生物支架的制備過程

        研究團隊通過對水凝膠支架進行撕扯驗證了水凝膠互相結合的強度,證實多層打印的水凝膠被緊密結合,并且其強度足以承受顱內壓的變化。
        他們還利用水凝膠支架對葡萄糖溶液進行過濾,過濾后葡萄糖濃度僅降低了0.1mmol/L。這項測試表明多孔結構不會阻礙營養物質的通過。


        圖3. 雙網絡水凝膠支架的機械強度(左)和透過能力(右)

        為了驗證雙網絡水凝膠生物支架的生物相容性和促進成骨的能力,該團隊通過接種大鼠骨髓間充質干細胞(rBMSCs)進行了體外實驗。圖4所示的結果表明rBMSC細胞在這種支架上具有良好的生長狀態,并且檢測到了ALP的活性,證實了細胞發生成骨分化。


        圖4. 接種rBMSCs細胞的雙網絡水凝膠生物支架的生物相容性和促進成骨能力驗證
        (a)活死染色圖;(b)ALP活性區域;(c)增殖曲線

        研發團隊將生物支架用于修補大鼠的顱骨缺損,并對其進行了為期8個星期的觀察。通過與不進行任何植入的對照組對比,證實水凝膠生物支架不僅沒有對大鼠的健康產生影響,還促進了其顱骨的修復過程。
        通過對水凝膠進行HE染色切片還觀察到生物支架植入4周后已經大量降解,在植入8周后幾乎完全降解,在植入后無需再次進行手術。


        圖5. 將生物支架用于修補大鼠顱骨后的Micro-CT影像

        相關論文:Chen L, Li Z, Wu P, et al. Advanced Functional Materials, 2019.

        本文采用捷諾飛自主研發的光固化噴頭進行水凝膠支架的打印,可兼容Bio-Architect® WS、Bio-Architect® X等機型,采用業內獨有的“同軸出光,同步固化”的模式,確保材料在擠出后進行快速固化。捷諾飛還為您提供控溫光固化噴頭,溫度可在-10℃至室溫調節,豐富您的打印選項。

        同步光固化噴頭

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