[论文解读] Fabrication and in vitro characterization of three-dimensional organic/inorganic scaffolds by robocasting

J. Russias, Eduardo Saiz+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2018

Bone Tissue Engineering Materials参考文献 31被引用 6

一句话总结

本研究展示了在室温下利用聚乳酸或聚己内酯基体结合羟基apatite（最高达70 wt%）或生物活性玻璃，通过机器人铸造技术制造3D混合有机/无机支架，实现了孔径的精确控制（200–500 µm）。支架表现出各向异性的力学行为，具有高刚度且脆性极低，并在模拟体液中保持结构完整性，其中含生物活性玻璃的支架在20天后形成羟磷灰石层。

ABSTRACT

A key issue for the fabrication of scaffolds for tissue engineering is the development of processing techniques flexible enough to produce materials with a wide spectrum of solubility (bioresorption rates) and mechanical properties matching those of calcified tissues. These techniques must also have the capability of generating adequate porosity to further serve as a framework for cell penetration, new bone formation, and subsequent remodeling. In this study, we show how hybrid organic/inorganic scaffolds with controlled microstructures can be built using robotic assisted deposition at room temperature. Polylactide or polycaprolactone scaffolds with pore sizes ranging between 200-500 μm and hydroxyapatite contents up to 70 wt % were fabricated. Compressive tests revealed an anisotropic behavior of the scaffolds, strongly dependent on their chemical composition. The inclusion of an inorganic component increased their stiffness but they were not brittle and could be easily machined even for ceramic contents up to 70 wt%. The mechanical properties of hybrid scaffolds did not degrade significantly after 20 days in simulated body fluid. However, the stiffness of pure polylactide scaffolds increased drastically due to polymer densification. Scaffolds containing bioactive glasses were also printed. After 20 days in simulated body fluid they developed an apatite layer on their surface.

研究动机与目标

• 开发一种灵活的组织工程支架制造技术，实现可调的生物降解速率和与钙化组织相匹配的力学性能。
• 解决创建具有足够孔隙率以支持细胞浸润和新骨形成的支架的挑战。
• 利用室温下的机器人沉积技术，制备具有受控微观结构的混合支架。
• 评估支架在模拟生理条件下的力学稳定性和生物活性。
• 研究无机物含量（羟基apatite，生物活性玻璃）对支架性能和降解行为的影响。

提出的方法

• 采用机器人沉积（机器人铸造）技术在室温下制造3D支架，实现对几何形状和孔隙率的精确控制。
• 以聚乳酸（PLA）或聚己内酯（PCL）作为有机基体，加入羟基apatite（最高达70 wt%）或生物活性玻璃作为无机组分。
• 系统性地将孔径控制在200–500 µm之间，以支持细胞渗透和组织长入。
• 通过压缩测试对力学性能进行表征，评估各向异性和刚度随成分及陶瓷含量的变化。
• 在模拟体液（SBF）中进行为期20天的体外测试，评估结构稳定性、表面反应性及羟磷灰石形成情况。
• 表面分析技术证实，含生物活性玻璃的支架在SBF暴露后表面形成羟磷灰石层。

实验结果

研究问题

• RQ1 机器人铸造能否在室温下实现具有可调孔隙率和受控微观结构的3D混合支架的制备？
• RQ2 引入羟基apatite或生物活性玻璃如何影响有机/无机支架的力学性能和各向异性？
• RQ3 支架在长期暴露于模拟体液后，其力学稳定性如何？
• RQ4 生物活性玻璃的引入是否会在SBF中诱导支架表面形成羟磷灰石层？
• RQ5 纯聚乳酸支架在SBF中浸没后，由于聚合物致密化，其力学行为如何变化？

主要发现

• 机器人铸造技术成功制备了孔径范围在200至500 µm之间、羟基apatite含量最高达70 wt%的3D支架。
• 压缩测试显示支架具有显著的各向异性力学行为，随着无机物含量的增加，刚度明显提高，但支架仍保持非脆性且可机械加工。
• 含70 wt%羟基apatite的支架在模拟体液中浸泡20天后仍保持力学完整性，未观察到明显降解。
• 纯聚乳酸支架在SBF中浸泡20天后，由于聚合物致密化，其刚度显著增加。
• 含生物活性玻璃的支架在SBF中浸泡20天后表面形成羟磷灰石层，表明其具有强生物活性。
• 混合支架在SBF中浸泡20天后，其力学性能未出现显著劣化，证实其在长期组织工程应用中具有良好的稳定性。