科技前沿:研究人员开发出创建3D打印支架组织的LDM新技术

365体育官网2017年2月27日讯  近年来,3D打印技术应用从最初的科研发展逐渐延伸至医疗、工业、汽车和航空航天等领域。随着市场需求提升以及技术的不断创新,医疗领域中的生物3D打印应用优势将日益凸显。

随着生物3D打印技术的发展,许多形式的3D打印活组织通常在生物3D打印的一般类别下分组在一起,但是这些方法是变化的,以致于它们中的一些几乎不相似。生物打印的整个概念仍然难以包装,但科学家们则不断提出该技术的新变化。

技术中的主要不同因素之一是如何创建支架。当印刷细胞发育和生长时,用于给印刷细胞以结构的支架是生物打印过程的关键组成部分,并且如何产生支架关系到成功或失败。台湾的一组研究人员开发了一种使用称为冷冻形式的新方法(也称为低温沉积制造)来制造支架。

在题为“Design and Development of a Novel Frozen-Form Additive Manufacturing System for Tissue Engineering Applications”的论文中,研究人员解释了为什么添加剂制造已经成为制造支架的越来越流行的方法,这是因为该技术允许科学家具有精确的控制打印支架的尺寸、形状和孔隙度,以实现特定患者的定制化需要。

然而,3D打印组织支架的最常见的方法是SLS、SLA和FDM,每个都有它们的缺点。研究人员指出,SLS在可以使用的材料方面受到限制,而对于SLA,树脂材料中的光引发剂会留下残留物或副产物,其对嵌入支架中的细胞具有毒性作用。用FDM技术制造的支架具有优异的机械性能,但它们需要高温,并且当它们冷却时趋于收缩和变形。

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“在我们以前的FDM研究中,PLA22和聚乳酸【乙醇酸共聚物(PLGA)】已经被用作建筑材料,”研究人员说。“我们发现,在FDM工艺之后,PLGA的平均分子量降低到其原始值,约22.4%。这是因为在熔融挤出过程中发生热水解,这倾向于降低支架的结构强度。与SLS一样,就生长因子而言,FDM的操作温度对于生物分子来说是过高的。因此,将生物分子掺入支架是困难的。”

为了规避这些问题,研究团队开发了称之为“伪FDM”的技术,也称为低温沉积建模(LDM)。

“LDM的原理与FDM的原理相似,除了需要低温冷却平台,并且材料挤出机使用的是注射器或螺杆,而不是传统的挤出机,”研究人员说。“LDM将溶解在溶剂中的聚合物沉积到低温冷却平台中。该平台的温度远低于溶剂的结晶温度(即凝固点)。因此,聚合物溶液快速冻结,并且发生热致相分离过程。在已经应用并处理冷冻干燥后,提取溶剂,并且聚合物保持支架形状。”

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LDM的优点是许多的,使用该技术制作的支架可以是大孔和微孔的,并且生物分子或生物活性化合物可以在构建过程中掺入。聚合物的分子量几乎不受该方法的影响,并且该技术适用于多种合成或天然大分子材料,例如壳聚糖、藻酸盐、PLA、聚乙醇酸(PGA),PCL、PLGA和聚氨酯。LDM方法涉及将液体转变为固体,这就是为什么它被称为冷冻形式方法(FFM),或者是冷冻形式的添加剂制造系统(FFAMS)。

对于FFM过程中创建低温环境有几种不同的方法,但是它们各自也有它们的缺点。因此,研究团队决定开发一种创造低温环境的新方法,这将产生一个紧凑、实用的FFAM机器。为此,他们首先设计了一个使用四个冷却板来形成的外壳或“冷却区域”的均匀低温装置(UCD)。设计成使其能够在冷却区域内上下移动的工作板,同时也是放置在内部作为可以在其上进行沉积材料的构造板。在每一层沉积之后,将板降低,使得下一层可以在与前一层完全相同的高度处沉积,从而确保一致的温度。

UCD只是系统的一个模块。材料分配器模块由气动流体分配器组成,其充当挤出机。研究人员将基于PCL的水性聚氨酯的混合物放入其中,然后他们通过用材料3D打印支架,在每个层沉积时测量温度,以及确定用于不同支架形状的最佳喷嘴直径和层厚度来进行实验。而不是像大多数FFM方法那样使用笛卡尔系统,他们使用的是SCARA机器人的运动模块,这可以给他们更多的灵活性。

“在我们的研究中,低温冷却区域被设计为适合在一个小空间内,以便足够的空间使SCARA用于各种类型的工作站,如一个细胞播种平台,”团队指出。“因此,FFAMS可以扩展为多功能系统或用于生产支架的连续生产线,以实现商业化。

总体而言,研究人员的研究产生了具有高潜力的柔性支架,用于将来在组织工程和软组织修复中应用。虽然研究集中于具有如管和正方形等简单形状的支架的生产,他们打算在未来继续他们的研究,以开发复杂的支架模拟生物系统,以及更大、更高的支架,用于创建软骨组织,如鼻子、耳朵和气管。

本研究的研究人员包括中央大学机械工程系的Chau-Yaug Liao、Wei-Jen Wu和Ching-Shiow Tseng ;国立台湾大学高分子科学与工程研究所Cheng-Tien Hsieh和Shan-hui Hsu ;和国防医学中心三部总医院外科学部塑料与重建外科司Niann-Tzyy Dai。

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