可降解聚合物在骨折内固定和骨缺损修复中的应用

可降解聚合物具有可降解、能被人体吸收、生物相容性好等优点 ,在骨折内固定和骨缺损修复方面有广阔的应用前景。近年的研究表明 :其作为骨折内固定物 ,已得到成功的应用 ;作为骨组织填充物 ,需与 BMP复合 ,以提高其骨诱导活性 ;作为组织工程用的支架材料 ,需进一步提高其机械强度。总之 ,作为可降解聚合物 ,在生物相容性、降解时间的可控性、机械性能和制作工艺等方面有待进一步完善。     

生物支架材料修复感染性骨缺损的研究进展

骨髓炎所致的感染性骨缺损复发频繁，难以治愈。各种生物支架材料作为极具潜力的新型骨植入材料，有效弥补了现今感染性骨缺损修复材料的缺陷。其中天然生物衍生材料具有良好生物相容性，人工合成无机材料和有机高分子材料抗感染能力显著，复合材料结合3D打印和表面涂层技术，改善了常规植入物机械性能差、抗菌能力差、缺乏骨诱导功能等缺点。生物支架材料已在修复感染性骨缺损、促进骨再生等方面展现出良好前景。本文就生物支架材料修复感染性骨缺损的研究进展作一综述。     

3D打印聚己内酯/纳米羟基磷灰石复合支架与骨髓间充质干细胞的体外生物相容性

文题释义： 3D打印技术：是通过计算机设计3D模型,按照某一坐标轴切成无限多个剖面,然后层层打印堆叠形成一个实体的立体模型,使用3D打印技术制备的骨组织工程支架能对支架的内部结构和外形进行自由可控的构建,在支架个性化、精确性、机械强度、孔隙调节、空间结构复杂性方面有独特优势。 纳米羟基磷灰石/聚己内酯复合材料：羟基磷灰石是人体和动物骨骼的主要无机成分,具有良好的骨诱导性,纳米羟基磷灰石由于良好的生物相容性和骨整合能力被广泛用作骨缺损的修复材料;聚己内酯是一种已被FDA批准的生物材料,具有良好的机械性能、生物相容性及降解性。两种材料复合物的多孔结构能够为细胞生长、组织再生及血管化提供有利条件。 背景：聚己内酯/纳米羟基磷灰石复合材料是在常用骨组织工程材料基础上结合3D打印技术制备的新型复合支架材料,目前对于该复合材料的体外生物相容性研究较少。 目的：通过体外实验探讨3D打印聚己内酯/纳米羟基磷灰石复合支架材料的细胞相容性。 方法：利用3D打印技术分别制备聚己内酯及聚己内酯/纳米羟基磷灰石复合支架,表征两组材料的微观结构、孔隙率及力学性能。将大鼠骨髓间充质干细胞分别接种于两组支架表面,CCK-8法检测细胞增殖率,扫描电镜和Live/Dead染色观察细胞在支架上的生长情况。 结果与结论：①两组支架均呈三维网状相互连通结构,纤维呈规律有序的排列、相互交错,纤维表面无空隙,纤维间距、直径较为均一;两组支架的孔隙率比较差异无显著性意义(P > 0.05);复合支架的弹性模量高于单纯聚己内酯支架(P < 0.05);②两组支架表面培养1 d的细胞增殖比较差异无显著性意义(P > 0.05),复合支架表面培养4,7 d的细胞增殖快于单纯聚己内酯支架(P < 0.05);③Live/Dead染色结果显示,两组材料均具有良好的细胞相容性,细胞活性较高,同时复合支架上的贴壁细胞更多一些;④扫描电镜显示,细胞在两种材料上生长形态良好,并紧密黏附于支架表面及微孔附近,同时可见分泌的细胞外基质呈丝状包绕于细胞周围;⑤结果表明,3D打印技术制备的聚己内酯/纳米羟基磷灰石复合支架孔隙较丰富,具备良好的力学性能,细胞相容性良好,可作为骨组织工程的支架材料。 ORCID: 0000-0002-7083-6458(胡超然) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

不同复合树脂材料硬度及黏结强度的比较

背景：与传统复合树脂材料相比,大块充填复合树脂材料具有增加光固化深度、降低聚合收缩率、简化临床操作程序等特点,但不同类型大块充填复合树脂材料的性能各异。 目的：分析4种复合树脂材料的硬度及黏结强度。 方法：取大块填充复合树脂Tetric EvoCeram BulkFill、SDR,以及传统复合树脂P60、Z350,检测4种复合树脂材料分别在2,3,4,5 mm光固化深度下的维氏显微硬度,以及4种复合树脂材料与牙本质间的剪切黏结强度。 结果与结论：不同光固化深度下的硬度顺序为：P60复合树脂>Z350复合树脂>Tetric EvoCeram BulkFill复合树脂> SDR复合树脂,4组间比较差异有显著性意义(P < 0.05);Tetric EvoCeram BulkFilll和SDR复合树脂光固化后的硬度未随着固化深度的增加而明显减小。Tetric EvoCream BulkFil和SDR复合树脂的剪切黏结强度显著高于P60和Z350复合树脂(P < 0.05)。表明大块充填树脂材料Tetric EvoCeram BulkFill和SDR的综合机械性能较高,并且具有较高的剪切黏结强度。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

基于丝素/胶原/羟基磷灰石仿生骨材料的多维结构及其性能

目的 体外构建丝素蛋白（silk fibroin,SF）、I型胶原(type I collagen,Col-I)和羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA)共混体系制备二维复合膜和三维仿生支架,研究其理化性质和生物相容性,探讨其在组织工程支架材料中应用的可行性。方法 通过在细胞培养小室底部共混SF/Col-I/HA以及低温3D打印结合真空冷冻干燥法制备二维复合膜及三维支架。通过机械性能测试、电子显微镜和Micro-CT检测材料的理化性质,检测细胞的增殖评估其生物相容性。结果 通过共混和低温3D打印获得稳定的二维复合膜及三维多孔结构支架;力学性能具有较好的一致性,孔径、吸水率、孔隙率和弹性模量均符合构建组织工程骨的要求;支架为网格状的白色立方体,内部孔隙连通性较好; HA均匀分布在复合膜中,细胞黏附在复合膜上,呈扁平状;细胞分布在支架孔壁周围,呈梭形状,生长及增殖良好。结论 利用SF/Col-I/HA共混体系成功制备复合膜及三维支架,具有较好的孔连通性与孔结构,有利于细胞和组织的生长以及营养输送,其理化性能以及生物相容性符合骨组织工程生物材料的要求。     

基于同轴细胞打印双网络生物墨水优化及类血管支架的打印

文题释义：双网络生物墨水：生物墨水是指可以用于生物3D打印机的材料,具有类似细胞外基质的理化性质,可用于制造与人体器官相似的组织。双网络生物墨水内部具有两种交联网络,能使体外构建的组织具有良好的机械性能,适用于不同的应用场景。 同轴细胞打印：生物3D打印也叫细胞打印,是指操控细胞生物墨水体外构建活性组织的过程。同轴细胞打印是生物3D打印的延伸和发展,通过结合多层同轴针头可以直接快速制备含有内部连通网络的组织工程支架。 背景：细胞体外培养情况下无法在远离营养物质200 μm以上的区域存活,血管网络构建对组织工程领域厚组织和器官再生至关重要,同轴细胞打印为体外构建类血管通道提供了一种新的方式。 目的：优化生物墨水的同轴细胞打印性能,制备具有类血管结构的组织工程支架。 方法：通过间歇式巴氏灭菌制备无菌海藻酸钠溶液,冷冻保存;以脱胶蚕丝为原料制备无菌丝素蛋白冻干粉,密封保存;将丝素蛋白冻干粉加入解冻的海藻酸钠溶液中,再加入人脐静脉内皮细胞,作为生物墨水;将生物3D打印机的外轴连接生物墨水,内轴连接交联剂,同轴打印类血管支架材料,进行光学相干层析成像扫描、扫描电镜观察;拉伸测试海藻酸钠与丝素蛋白/海藻酸钠同轴打印环形试件(不含细胞)的弹性模量。采用冷冻保存7 d的海藻酸钠溶液与人脐静脉内皮细胞制作同轴打印支架,冷冻保存7 d的海藻酸钠溶液、人脐静脉内皮细胞与密封保存6个月的丝素蛋白冻干粉制作同轴打印支架,培养24 h后死活染色观察细胞存活率。设计打印串联与并联结构的类血管支架,培养1,3,7,10,14 d后检测细胞增殖情况。 结果与结论：①光学相干层析成像扫描显示,该混合生物墨水最高打印高度为9层,整体厚度约为4.4 mm;扫描电镜显示,类血管支架的中空纤维丝外壁呈无规则条状卷曲,存在微米级内部连通孔隙结构,中空纤维丝内壁具有更致密的孔隙结构;②丝素蛋白/海藻酸钠同轴打印环形试件的弹性模量大于单纯海藻酸钠同轴打印环形试件(P < 0.05);③采用保存7 d海藻酸钠溶液制作的支架细胞存活率为(86.7±3.4)%,加入丝素蛋白冻干粉支架的细胞存活率为(98.1±1.2)%,说明冷冻保存7 d的海藻酸钠溶液未染菌,丝素蛋白的保质期可达6个月;④并联结构类血管支架培养7,10,14 d的细胞增殖活性高于串联结构的类血管支架(P < 0.05);⑤结果表明,实验制备的类血管支架材料具有良好的生物相容性与机械性能。 ORCID: 0000-0002-5556-6672(张一帆) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

生物材料复合支架与运动性关节软骨缺损的修复

目的：探讨复合支架的组织工程学特性及其修复关节软骨缺损的性能评价。 方法：以“关节软骨、生物材料、工程软骨、复合材料、复合支架”为中文关键词,以“ tissue enginneering,articular cartilage,scaffold material”为英文关键词,采用计算机检索中国期刊全文数据库、PubMed数据库(1993-01/2010-11)相关文章。纳入复合支架材料-细胞复合物修复关节软骨损伤相关的文章,排除重复研究或Meta分析类文章。 结果：共入选18篇文章进入结果分析。复合支架是当前软骨组织工程中应用较多的支架,它是将具有互补特征的生物相容性可降解支架,按一定比例和方式组合,设计出结构与性能优化的复合支架。较单一支架材料具有显著优越性,具有更好的生物相容性和一定强度的韧性,较好的孔隙和机械强度。复合支架的制备不仅包括同一类生物材料的复合,还包括不同类别生物材料之间的交叉复合。可分为纯天然支架材料、纯人工支架材料以及天然与人工支架材料的复合等3类。 结论：复合支架使生物材料具有互补特性,一定程度上满足了理想生物支架材料应具有的综合特点,但目前很多研究仍处于实验阶段,还有一些问题有待于解决,如不同材料的复合比例、复合工艺等。     

生物细胞三维打印技术与材料研究进展

生物细胞三维(3D)打印是一种新型的制造技术,通过该技术可以将细胞以及细胞支撑材料打印成复杂的具有3D结构与功能的组织。与其他3D打印技术相比,生物细胞3D打印需要对打印过程以及打印材料的生物环境进行研究。针对生物细胞3D打印的特点,本文主要讨论了生物细胞3D打印技术的发展现状,重点从打印技术与打印材料两个方面展开介绍。其中,针对现有打印技术,本文重点介绍了喷墨法、挤出沉积法、光固化成型法以及激光辅助法的精度、制备过程、材料要求以及对细胞状态影响,并在此基础上比较了各自的优势和局限性;针对常用的打印材料,本文重点介绍并对比了其交联方式、生物相容性以及应用场合等。生物细胞3D打印技术目前仍主要在实验室发展阶段,对现阶段生物3D打印技术原理与发展进行回顾总结不仅有助于思考如何将这一技术尽快投入实用,也有助于更好地规划生物3D打印的未来发展方向。     

脱细胞组织基质材料构建组织工程血管支架的特点与效应

目的:评价组织工程血管支架材料的特性和发展前景。方法:以"组织工程,组织工程血管,支架材料"为关键词,采用计算机检索1993-01/2009-10相关文章。纳入与有关生物材料与组织工程血管相关的文章;排除重复研究或Meta分析类文章。以26篇文献为主重点讨论了组织工程血管材料的种类及其性能。结果:血管脱细胞基质可作为一种较理想的支架材料应用于血管组织工程。纤维蛋白制成的支架,不但具有理想的生物相容性、生物降解性和较高的亲和性,而且能促进血管生成、组织修复。明胶无抗原性,生物相容性好,可完全生物降解,可以实现支架自身的"血管化",但机械性强度低。天然生物材料和合成高分子材料都存在一定不足,将两者按照一定的方法组合构建成一种复合基质,发挥两者各自的优势构建出性能良好的组织工程化血管。纳米修饰技术有望被应用于下一代组织工程化血管移植。结论:近年来组织工程血管发展迅速,但到目前为止,还没有发现一种很理想的血管支架材料。天然生物材料成为目前研究的热点,但是物理机械性能并不能很好地符合血管支架要求,这就迫切希望新材料的出现,来更好的满足组织化血管支架的要求,达到修复和重建的目的。     

不同生物材料复合支架对关节软骨缺损的修复评价

背景：不同生物材料制备的复合软骨支架其修复软骨缺损也各具特点。 目的：探讨不同生物材料制备复合支架的组织工程学特性及其修复关节软骨缺损的性能评价。 方法：以“软骨组织工程,生物材料,工程软骨,复合支架”为中文关键词,以“tissue enginneering,articular cartilage,scaffold material”为英文关键词,采用计算机检索中国期刊全文数据库、PubMed数据库(1993-01/2010-11)相关文章。纳入复合支架材料-细胞复合物修复关节软骨损伤等相关的文章,排除重复研究或Meta分析类文章。 结果与结论：复合支架是当前软骨组织工程中应用较多的支架,它是将具有互补特征的生物相容性可降解支架,按一定比例和方式组合,设计出结构与性能优化的复合支架。较单一支架材料具有更好的生物相容性和一定强度的韧性,较好的孔隙和机械强度。复合支架的制备不仅包括同一类生物材料的复合,还包括不同类别生物材料之间的交叉复合。可分为纯天然支架材料、纯人工支架材料以及天然与人工支架材料的复合等3类。复合支架使生物材料具有互补特性,一定程度上满足了理想生物材料支架应具的综合特点,但目前很多研究仍处于实验阶段,还有一些问题有待于解决,如不同材料的复合比例、复合工艺等。     

3D printing process of oxidized nanocellulose and gelatin scaffold

For tissue engineering applications tissue scaffolds need to have a porous structure to meet the needs of cell proliferation/differentiation, vascularisation and sufficient mechanical strength for the specific tissue. Here we report the results of a study of the 3D printing process for composite materials based on oxidized nanocellulose and gelatin, that was optimised through measuring rheological properties of different batches of materials after different crosslinking times, simulation of the pneumatic extrusion process and 3D scaffolds fabrication with Solidworks Flow Simulation, observation of its porous structure by SEM, measurement of pressure-pull performance, and experiments aimed at finding out the vitro cytotoxicity and cell morphology. The materials printed are highly porous scaffolds with good mechanical properties.     

三维打印技术在骨组织工程领域的应用研究进展

综述了三维(3D)打印技术的出现、分类与优势等.介绍了该技术在骨组织工程领域的应用,包括光固化立体印刷、熔融沉积成型、选择性激光烧结和3D喷印的工作原理、存在的优缺点以及国内外学者在该领域的研究进展.目前骨组织工程支架的制备大多应用了3D打印技术,以生物可降解的活性材料为原料制备而成.在我国该领域虽然发展迅速,利用3D打印技术进行人工骨合成、骨科术前模拟等已经越来越普遍,亦取得了令人满意的效果,但要研发出合适的生物材料以及设备精度的改进仍是亟待解决的问题.目前,仿生器官的功能化已成为3D打印技术领域的一大困难,其中多细胞共培养、血管化及支架的制备是实现功能化必须克服的问题,相信通过努力,该项技术将会为器官的再生与修复带来更多令人瞩目的成果.     

3D printing of composite calcium phosphate and collagen scaffolds for bone regeneration

Low temperature 3D printing of calcium phosphate scaffolds holds great promise for fabricating synthetic bone graft substitutes with enhanced performance over traditional techniques. Many design parameters, such as the binder solution properties, have yet to be optimized to ensure maximal biocompatibility and osteoconductivity with sufficient mechanical properties. This study tailored the phosphoric acid-based binder solution concentration to 8.75 wt% to maximize cytocompatibility and mechanical strength, with a supplementation of Tween 80 to improve printing. To further enhance the formulation, collagen was dissolved into the binder solution to fabricate collagen-calcium phosphate composites. Reducing the viscosity and surface tension through a physiologic heat treatment and Tween 80, respectively, enabled reliable thermal inkjet printing of the collagen solutions. Supplementing the binder solution with 1–2 wt% collagen significantly improved maximum flexural strength and cell viability. To assess the bone healing performance, we implanted 3D printed scaffolds into a critically sized murine femoral defect for 9 weeks. The implants were confirmed to be osteoconductive, with new bone growth incorporating the degrading scaffold materials. In conclusion, this study demonstrates optimization of material parameters for 3D printed calcium phosphate scaffolds and enhancement of material properties by volumetric collagen incorporation via inkjet printing.     

Effect of conditioning methods on the microtensile bond strength of phosphate monomer-based cement on zirconia ceramic in dry and aged conditions

Scaffold fabrication for regenerating functional human tissues has an important role in tissue engineering, and there has been much progress in research on scaffold fabrication. However, current methods are limited by the mechanical properties of existing biodegradable materials and the irregular structures that they produce. Recently, several promising biodegradable materials have been introduced, including poly(propylene fumarate) (PPF). The development of micro-stereolithography allows the fabrication of free-form 3D microstructures as designed. Since this technology requires a low-viscosity resin to fabricate fine structures, we reduced the viscosity of PPF by adding diethyl fumarate. Using our system, the curing characteristics and material properties of the resin were analyzed experimentally. Then, we fabricated waffle shape and 3D scaffolds containing several hundred regular micro pores. This method controlled the pore size, porosity, interconnectivity, and pore distribution. The results show that micro-stereolithography has big advantages over conventional fabrication methods. In addition, the ultimate strength and elastic modulus of the fabricated scaffolds were measured, and cell adhesion to the fabricated scaffold was observed by growing seeded cells on it. These results showed that the PPF/DEF scaffold is a potential bone scaffold for tissue engineering.     

基于3D打印羟基磷灰石支架的填充结构与力学性能研究

3D打印骨组织工程支架是近来的研究热点,而制备同时具有高孔隙率和足够力学性能的骨组织工程支架是研究的难点之一。在孔隙率相同条件下,探究不同填充角度结构对3D打印支架力学性能影响。首先用SolidWorks软件设计孔隙率相同的3种不同填充角度(45°、60°、90°)支架结构,以交点处结构作为支架的最小支撑单元,并用ABAQUS软件对其进行力学性能仿真,对仿真所得单元结构压缩模量进行累加,探究填充角度对支架力学性能的影响;进而通过3D打印制备3种填充结构的羟基磷灰石支架,测试支架的孔隙率和力学性能,对仿真结果进行验证。结果表明,仿真所得3种填充结构的压缩模量比为E_s(90°)∶E_s(60°)∶E_s(45°)=12.3∶10.9∶10.0。打印得到3种不同填充角度(90°,60°,45°)的羟基磷灰石支架孔隙率无显著性差异,其压缩模量比为E_s(90°)∶E_s(60°)∶E_s(45°)=15.4∶13.1∶10.0,与仿真结果趋势一致,90°填充的支架具有最高的抗压强度((7.36±0.63) MPa)和压缩模量((33.55 ± 2.49) MPa),与力学性能最低的45°填充支架相比,抗压强提高74.8%,压缩模量提高55.18%。在孔隙率相同的条件下,单个孔型面积越小,其压缩模量和抗压强度越高。该研究为制备最优填充结构的3D打印生物支架提供分析方法和理论依据。     

3D打印技术在指关节缺损的应用研究进展

先阐述了自体移植和传统人工关节置换的优劣势,而后分析了3D打印技术具有术前精确设计模拟解剖形态,术中导航减少出血,以及3D打印假体多孔结构有利于骨长入等优点,但同时3D打印涉及打印材料、伦理以及机械强度差等难题。随着科技的进步以及材料学发展,用3D打印技术打印出来的具有生物活性的人工关节必定是未来骨科发展的新趋势。     

Biodegradable and bioactive porous polymer/inorganic composite scaffolds for bone tissue engineering

Biodegradable polymers and bioactive ceramics are being combined in a variety of composite materials for tissue engineering scaffolds. Materials and fabrication routes for three-dimensional (3D) scaffolds with interconnected high porosities suitable for bone tissue engineering are reviewed. Different polymer and ceramic compositions applied and their impact on biodegradability and bioactivity of the scaffolds are discussed, including in vitro and in vivo assessments. The mechanical properties of today's available porous scaffolds are analyzed in detail, revealing insufficient elastic stiffness and compressive strength compared to human bone. Further challenges in scaffold fabrication for tissue engineering such as biomolecules incorporation, surface functionalization and 3D scaffold characterization are discussed, giving possible solution strategies. Stem cell incorporation into scaffolds as a future trend is addressed shortly, highlighting the immense potential for creating next-generation synthetic/living composite biomaterials that feature high adaptiveness to the biological environment.     

Three-dimensional printing of porous ceramic scaffolds for bone tissue engineering

This article reports a new process chain for custom-made three-dimensional (3D) porous ceramic scaffolds for bone replacement with fully interconnected channel network for the repair of osseous defects from trauma or disease. Rapid prototyping and especially 3D printing is well suited to generate complex-shaped porous ceramic matrices directly from powder materials. Anatomical information obtained from a patient can be used to design the implant for a target defect. In the 3D printing technique, a box filled with ceramic powder is printed with a polymer-based binder solution layer by layer. Powder is bonded in wetted regions. Unglued powder can be removed and a ceramic green body remains. We use a modified hydroxyapatite (HA) powder for the fabrication of 3D printed scaffolds due to the safety of HA as biocompatible implantable material and efficacy for bone regeneration. The printed ceramic green bodies are consolidated at a temperature of 1250 degrees C in a high temperature furnace in ambient air. The polymeric binder is pyrolysed during sintering. The resulting scaffolds can be used in tissue engineering of bone implants using patient-derived cells that are seeded onto the scaffolds.This article describes the process chain, beginning from data preparation to 3D printing tests and finally sintering of the scaffold. Prototypes were successfully manufactured and characterized. It was demonstrated that it is possible to manufacture parts with inner channels with a dimension down to 450 microm and wall structures with a thickness down to 330 microm. The mechanical strength of dense test parts is up to 22 MPa.