靈感源于雪花的新策略：3D打印精準構建仿骨結構梯度支架
時間：2022-02-18 11:39 來源：Research科學研究 作者：admin 閱讀：次
中國科學院深圳先進技術研究院醫藥所退行性中心阮長順、潘浩波和哈爾濱工業大學富宏亞團隊交叉協作，提出一種可用于擠出式3D打印的仿“松質骨-皮質骨”徑向梯度的骨組織工程支架構筑策略，將分形學應用于仿生骨支架設計，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，相關成果以“Fractal
Design Boosts Extrusion-Based 3D Printing of Bone-Mimicking
Radial-Gradient Scaffolds”為題發表在Research上。
研究背景
臨界骨缺損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。
成年人體骨由高孔隙率的松質骨和低孔隙率的密質骨組成。
最近Science研究論文表明天然骨組織具有從納米尺度到宏觀尺度至少12級的分形狀組織。
為了模擬天然骨的梯度孔隙結構，包括維諾鑲嵌法（Voronoi tessellation method）、三重周期性極小曲面（TPMS）、拓撲優化等計算機輔助設計（CAD）方法已被用于設計具有復雜梯度結構的骨支架模型，但是上述方法所得支架的制造技術主要為數字光處理（DLP）、選擇性激光熔融（SLM）、電子束熔融（EBM）和立體光刻（SLA）等，它們多為對生物制造相對不友好的3D打印技術。
擠出式3D打印（Extrusion-Based 3D Printing）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較為缺失。
研究進展
鑒于此，作者受分形理論的啟發，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（圖1）。
此外，為了參數化構建徑向梯度骨組織工程支架，搭建了“設計-制造”的工作流，并構建了關于支架的孔隙率、機械性能、滲透性能等參數的性能分析（圖2）。
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（圖3）。
未來展望
本文已證實分形設計策略在擠出式3D打印構建仿生梯度多孔支架方面具有可行性。未來，課題組將進一步論證梯度結構在骨修復過程中的生物學功能，旨在推動本研究所提出分形設計策略應用于臨床組織工程骨的構建應用。
此外，還將其擴展應用到其他生物醫學工程領域，如個性化軟骨、整形修復等。
研究背景
臨界骨缺損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。
成年人體骨由高孔隙率的松質骨和低孔隙率的密質骨組成。
最近Science研究論文表明天然骨組織具有從納米尺度到宏觀尺度至少12級的分形狀組織。
擠出式3D打印（Extrusion-Based 3D Printing）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較為缺失。
研究進展
鑒于此，作者受分形理論的啟發，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（圖1）。
圖1 仿生徑向梯度骨組織工程支架的設計
此外，為了參數化構建徑向梯度骨組織工程支架，搭建了“設計-制造”的工作流，并構建了關于支架的孔隙率、機械性能、滲透性能等參數的性能分析（圖2）。
圖2 設計-制造工作流
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（圖3）。
圖3 擠出式3D打印仿生支架的孔隙結構、力學性能和滲透性能
未來展望
本文已證實分形設計策略在擠出式3D打印構建仿生梯度多孔支架方面具有可行性。未來，課題組將進一步論證梯度結構在骨修復過程中的生物學功能，旨在推動本研究所提出分形設計策略應用于臨床組織工程骨的構建應用。
此外，還將其擴展應用到其他生物醫學工程領域，如個性化軟骨、整形修復等。
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