在新兴的个性化医疗领域，开发先进的打印材料对于新的治疗方案至关重要，包括放射治疗可穿戴设备、药物输送、用于手术模拟的解剖模型和组织替代植入物。然而现状则是先进技术被有限的材料所限制，这些解决方案提供的无菌材料不利于成为先进和个性化的植入物。例如，现有的生物惰性材料限制了颅骨成形术，阻碍了使用增材制造的骨科的变革性进步。
本研究引入了一种新型的先进可打印树脂，称为骨打印（osseoPRINT），它在多个方面超越了最先进的技术，包括1）抗菌剂和骨诱导剂的战略整合，2）简化的合成过程，3）与3D打印方法的兼容性，以及4）各种增材制造技术的多功能性。
图1. osseoPRINT树脂的工艺-性能关系。
通过将高分子聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）转化为甲基丙烯酸甲酯（MMA）和乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）实现了基础树脂的加工规定粘度，并且无论纳米填料含量如何，添加抗菌剂和骨诱导剂对可打印树脂性能的影响微乎其微。小型陀螺仪结构的成功打印确定了实施骨打印的现实（图 1）。
图2. osseoPRINT树脂的合成、物理和流变学。
初代（未修饰版）骨打印树脂的合成侧重于创建适用于个性化医疗应用的生物惰性制剂，同时避免不必要的化学改性剂，以减轻潜在的毒性和生物排斥反应。为了改善树脂性能，我们调整了制备工艺：1）在惰性氮气气氛下进行打印，通过添加吹扫机制来减轻PMMA在环境条件下的反应性，2）优化打印参数以适应与不同PMMA浓度相关的宽粘度范围，以及 3）仔细控制填料配方和打印起始之间的孵育期。第二代osseoPRINT树脂（修饰版）专注于提高人体对这种新型材料的潜在可接受性，因此在基质中添加抗菌剂和骨诱导剂（即基础树脂）增强了正确整合的生物机制（图 2）。
图3. 未修饰版和修饰版的osseoPRINT 树脂的物理化学和热性能。
osseoPRINT树脂的主要预期应用是靠近天然骨组织的骨骼植入物，因此需要密切匹配它们的机械性能。无论osseoPRINT树脂是如何生成的，存储模量和损耗模量都表现出衰减行为（图 3）。
图4.用于个性化医疗中生物植入物的有无装饰的osseoPRINT树脂的热机械性能。
由于修饰版的osseoPRINT 树脂内部纳米颗粒的单分散性和底层伪共聚物的交联双重性，添加抗菌剂（Ag2O）后，骨打印树脂的热机械行为保持不变。Ag2O纳米粒子充当非阻碍性钉扎位点，允许分子结构提供的链迁移率，如上所述，同时在印刷工件上诱导抗菌屏蔽。另一方面，添加nHAp骨诱导剂在整个热历史中显著降低了E'，有效地作为应力传递抑制剂。最后，完整和成功的生物整合源于促进向内生长和生物接受的纳米级机械性能。最终骨打印树脂的纳米机械性能（即分别为2.5 wt.% PMMA基树脂、0.5 wt.% nHAp和0.5 wt.% Ag2O，并与完全整合的骨打印树脂杂交）纳米硬度为0.25±0.04 GPa，与人类骨骼的硬度（约0.4-0.6 GPa）相当，掩盖了当前金属骨或陶瓷骨溶液中骨-植入物界面的机械不相容性（图 4）。
图5.使用具有骨诱导剂和抗菌剂的osseoPRINT树脂的患者特异性、解剖学相关植入物，以潜在地提高生物可接受性。
骨微结构包括广泛的拓扑结构，具体取决于性别、年龄和预后，这一直是生物力学家和生物物理学家的研究重点。因此，对另外三种TPMS结构（Diamond、IW-P 和 Fischer-Koch）进行了计算研究，因为它们与来自不同解剖部位的骨骼微观结构相似。模拟边界条件和材料分配忠实地遵循了用于比较基于上述陀螺结构的数值和实验结果的设置。Diamond、IW-P和Fischer-Koch TPMS晶格的抗压刚度高于陀螺结构，范围在600-1000 N/m之间。总体而言，本文考虑的TPMS结构的抗压刚力与整个测试头骨正面和侧面的骨刚度进行了比较，整个椎体和股骨小梁与后者非常相似。先进的材料系统、添加剂思维以及对个性化医疗可行和实用途径的追求，通过结合不同的配置和几何形状来精确模拟骨结构和力学，解锁了轻松定制植入物的可能性（图 5）。
本研究提出了一种设计、合成和表征创新生物相容性树脂的综合方法，该树脂专为增材制造的个性化骨骼植入物量身定制，特别是采用还原光聚合技术。该研究深入研究了在惰性大气条件下优化制造工艺的同时，将PMMA掺入MMA-EGDMA交联框架中的流变影响。所有重量百分比配方都表现出优异的印刷性能，并表现出适合预期应用的热机械性能。值得注意的是，由于交联链密度的增加，PMMA含量较低的树脂表现出增强的机械稳定性。进一步的进展涉及整合骨诱导剂和抗菌剂，以增强新型可印刷光固化树脂的固有生物惰性，释放这种新型光固化材料系统的过渡潜力。这种改进导致了印刷结构的发展，这些结构在宏观和纳米级水平上都能密切模仿骨组织，这对于有效的组织整合和防止应力屏蔽至关重要。
近期，该研究成果以“Printable and Tunable Bioresin with Strategically Decorated Molecular Structures”为题发表于学术期刊《Advanced Materials》。论文第一作者为Celia Rufo‐Martín，通讯作者为圣地亚哥州立大学的George Youssef。
撰稿人：张志成
审稿人：王 平
论文全文链接
https://doi.org/10.1002/adma.202412338
抗菌抗污材料前沿
长按二维码关注
获取最新科研消息
