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學(xué)術(shù)分享 I 明膠基材料在骨科生物3D打印中的應(yīng)用綜述

發(fā)布時(shí)間：2025-10-08   瀏覽量：   分享到：

明膠基材料生物打印在骨科應(yīng)用的研究

1 研究背景

大段骨/軟骨缺損由創(chuàng)傷、腫瘤或感染引起，是骨科臨床極具挑戰(zhàn)的難題。傳統(tǒng)自體/異體骨移植存在供體有限、感染風(fēng)險(xiǎn)、幾何不匹配等缺陷。生物打印技術(shù)可精確構(gòu)建患者特異性細(xì)胞-支架復(fù)合體，而明膠因其優(yōu)異生物相容性、可降解性、RGD 序列促細(xì)胞黏附及快速凝膠化特性，成為骨科生物打印的理想基材。然而純明膠機(jī)械強(qiáng)度弱、37 ℃易溶解，需通過(guò)改性或復(fù)合其他功能材料以滿足骨科力學(xué)與生物學(xué)雙重要求。

2 研究?jī)?nèi)容

本文系統(tǒng)綜述了①明膠改性策略（甲基丙烯酸化 GelMA 等）；②DIW墨水直寫3D打印/光基兩大生物打印工藝對(duì)明膠基墨水的要求；③針對(duì)軟骨（CTE）與骨（BTE）兩大場(chǎng)景的復(fù)合墨水配方；④4D 打印賦予支架動(dòng)態(tài)形態(tài)變化的新進(jìn)展；⑤臨床轉(zhuǎn)化瓶頸與未來(lái)方向。

Figure 1 近十年骨科（A）與軟骨（B）生物打印發(fā)文量（Scopus 檢索）
Figure 2 (A) 儲(chǔ)能/損耗模量 (B) 壓縮強(qiáng)度 (C) GM/HAMA 網(wǎng)格支架 (D) 打印保真度量化 (E) 兔喉模型 CAD 與打印實(shí)物 (F) 兔甲狀軟骨 CAD 與打印實(shí)物
Figure 3 骨科常用生物3D打印技術(shù)：(A) DIW墨水直寫3D打印；(B) 光基（DLP）
Figure 4 (A) 明膠化學(xué)結(jié)構(gòu)；(B) 氨基酸占比
Figure 5 (A) 不同配方 3D 打印網(wǎng)格；(B) S-IPN 與 IPN 體外軟骨分化染色與定量（TGF-β3）
Figure 6 (A) Live/Dead 染色；(B) Ca2? 交聯(lián)與 3D 打印細(xì)胞活性；(C) 組織學(xué)-免疫組化（II 型膠原、聚集蛋白聚糖）
Figure 7 (A) 混合打印流程；(B) 共聚焦與光學(xué)照片；(C) 20% 壓縮循環(huán)后結(jié)構(gòu)完整；(D) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線
Figure 8 (A) 體外成血管與 ALP/ARS 染色；(B) 大鼠顱骨缺損 2/4 周 Micro-CT 與組織學(xué)
Figure 9 (A) ALP/ARS 染色與定量；(B) 術(shù)后 2 周 Micro-CT 與組織學(xué)
Figure 10 (A) 細(xì)胞活率；(B) ALP 與 β-catenin 表達(dá)；(C) ARS 礦化；(D) 小鼠 8 周顱骨缺損 Micro-CT 與 H&E
Figure 11 體積生物3D打印異細(xì)胞骨模型：(A) 實(shí)驗(yàn)流程；(B) 3D 渲染；(C) 連續(xù)內(nèi)皮通道橫截面
Figure 12 明膠基 4D 3D打?。?A) 交聯(lián)梯度示意；(B) 吸水彎曲；(C–E) PEGDA/GM/OMA 卷曲實(shí)拍；(F–K) 多材料梯度條

3 研究結(jié)論

  • 明膠經(jīng)甲基丙烯酸化等改性后，兼具優(yōu)良生物性能與可打印性，是骨科生物3D打印的“核心骨架”。
  • 與 HAp、β-TCP、PEGDA、HAMA、SF 等第二相復(fù)合，可同時(shí)提升力學(xué)強(qiáng)度、成骨/成軟骨信號(hào)及降解可控性。
  • 擠出式適合大尺寸負(fù)載細(xì)胞構(gòu)建；DLP 體積打印可在數(shù)秒內(nèi)完成厘米級(jí)、高分辨率、預(yù)血管化仿骨組織。
  • 4D 3D打印引入交聯(lián)梯度或形狀記憶效應(yīng)，使支架隨時(shí)間“自變形”，更好匹配骨/軟骨發(fā)育動(dòng)態(tài)微環(huán)境。
  • 臨床轉(zhuǎn)化仍受細(xì)胞來(lái)源、GMP 生產(chǎn)、大動(dòng)物模型、監(jiān)管與成本多重限制，需多學(xué)科-產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同推進(jìn)。

4 論文信息

論文標(biāo)題 Bioprinting of gelatin-based materials for orthopedic application
作者 Yusuf Olatunji Waidi, Ishaq Kariim, Sudipto Datta
發(fā)表期刊 Frontiers in Bioengineering and Biotechnology
發(fā)表日期 2024 年 3 月 13 日
DOI 10.3389/fbioe.2024.1357460


森工3D打印機(jī)功能分析

3D打印機(jī)功能應(yīng)用分析

全面解析森工DIW墨水直寫3D打印機(jī)在該類研究中功能匹配情況及需定制功能，幫助用戶更好地選擇合適的3D打印設(shè)備及功能模塊。

 該研究中涉及的3D打印策略


1、森工可匹配模塊:

①立體光固化(DLP)：為改性復(fù)合明膠墨水結(jié)構(gòu)模型提供打印策略；

②墨水?dāng)D出打?。哼m合低粘度生物材料，如水凝膠、明膠等；
③雙噴頭打印模塊：2-4通道設(shè)計(jì)，一方面裝載明膠材料，一方面裝填4D材料進(jìn)行協(xié)同/并聯(lián)打??；


2、需定制的模塊:                                                                                                                      ①低溫滅菌生物打印柜：可實(shí)現(xiàn)滅菌消毒工作有效防止細(xì)胞材料污染同時(shí)，對(duì)打印腔體環(huán)境進(jìn)行溫度保護(hù)，有效解決溫敏材料對(duì)溫度影響變化；
小編對(duì)該類研究的拓展設(shè)想
1、拓展思路：                                                                                                                           ①搭載高低溫噴頭/平臺(tái)對(duì)溫敏及低粘度4D材料，打印后快速實(shí)現(xiàn)固化賦予支架動(dòng)態(tài)形態(tài)變化；
②針對(duì)軟骨（CTE）與骨（BTE）兩大場(chǎng)景的復(fù)合墨水為了提高實(shí)驗(yàn)效率，可使用在線混合模塊，將生物材料與特定性能材料進(jìn)行實(shí)時(shí)比混合，減少多噴頭協(xié)作時(shí)間；
③轉(zhuǎn)軸模塊：為不同直徑、不同長(zhǎng)度類型的管狀支架提供更多實(shí)驗(yàn)空間；
2、涉及模塊介紹：                                                                                                                    ①低溫直寫噴頭/平臺(tái)模塊：模塊支持-5℃-室溫，快速提高固化效率，保障材料打印成型效果；
②DIW高溫噴頭直寫模塊（室溫-300℃）高溫平臺(tái)（室溫-100℃），支持粉末、漿料、顆粒等形態(tài)材料，針對(duì)不同材料形態(tài)提供合適的打印策略；
②在線混合模塊：主動(dòng)混合或者被動(dòng)混合模式，可實(shí)時(shí)在線混合，實(shí)現(xiàn)指定比例混合材料、在線梯度漸變；
③轉(zhuǎn)軸直徑支持最低1.5mm直徑多種管狀可選滿足更多支架需求，

由于小編學(xué)識(shí)所限，文中內(nèi)容難免存在疏漏或不足之處。若您發(fā)現(xiàn)任何錯(cuò)誤或值得商榷的觀點(diǎn)，懇請(qǐng)不吝指正，

小編將第一時(shí)間修正完善。感謝您的包容與支持！

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森工科技 AutoBio系列藥物3D打印機(jī)

  • 1. 科研型定位,滿足科研實(shí)驗(yàn)可視化參數(shù)需求；
  • 2. 材料支持范圍廣，兼容多學(xué)科多領(lǐng)域材料；
  • 3. 支持自調(diào)配材料，靈活適應(yīng)科研實(shí)驗(yàn)要求；
  • 4. 少量材料即可打印測(cè)試，高效產(chǎn)出，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本；
  • 5. 支持多噴頭多通道多材料多模式打印；
  • 6. 支持各種外場(chǎng)輔助功能拓展和定制。


AutoBio 3D打印機(jī)示意圖
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