3D-печать композитов на основе нанокристаллов целлюлозы для создания надежных биомиметических каркасов для инженерии костной ткани

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21244 (2022) Цитировать эту статью

2726 Доступов

4 цитаты

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Нанокристаллы целлюлозы (ЦНК) привлекают все большее внимание в области биомедицины и здравоохранения благодаря своей долговечности, биосовместимости, биоразлагаемости и превосходным механическим свойствам. Здесь мы изготовили с использованием технологии моделирования плавленого осаждения трехмерные композитные каркасы из полимолочной кислоты (PLA) и CNC, извлеченных из Ficus thonningii. Сканирующая электронная микроскопия показала, что напечатанные каркасы имеют взаимосвязанные поры, средний размер пор которых оценивается примерно в 400 мкм. Введение 3% (по массе) CNC в композит улучшило механические свойства PLA (модуль Юнга увеличился на ~ 30%) и смачиваемость (угол смачивания водой уменьшился на ~ 17%). Был подтвержден процесс минерализации напечатанных каркасов с использованием искусственной жидкости организма и подтверждено образование зародышей гидроксиапатита. Кроме того, тесты на цитосовместимость показали, что каркасы из PLA и PLA на основе CNC нетоксичны и совместимы с костными клетками. Наша конструкция, основанная на быстрой 3D-печати композитов PLA/CNC, сочетает в себе возможность управления архитектурой и обеспечивает улучшенные механические и биологические свойства каркасов, что открывает перспективы для применения в инженерии костной ткани и в регенеративной медицине.

Разработка материалов для костной инженерии остается сложной задачей из-за сложности естественной структуры кости и биомеханической среды. Для восстановления поврежденной костной ткани берут аутотрансплантаты из разных костей и используют их для замены отсутствующих костей. Менее доступные аллотрансплантаты разочаровывают1,2,3, а искусственные соединения, используемые в качестве имплантатов, часто приходится удалять после заживления4. Недавно появились новые стратегии восстановления костей, в том числе регенеративная медицина с использованием каркасов, используемая для стимулирования роста костей5.

Идеальный костный каркас должен представлять собой трехмерную матрицу, способную имитировать сложный состав и структуру кости для прикрепления и пролиферации клеток6. Следовательно, для интеграции с нативной тканью хозяина требуется высокая биосовместимость, биоразлагаемость, нетоксичность, отличные механические свойства и соответствующая структура с точки зрения пористости и размеров пор7. Поэтому химический состав и физико-химические характеристики каркаса, непосредственно влияющие на механические и биологические характеристики8, являются важными параметрами для изучения.

Синтетические биополимеры нашли широкое применение в инженерии костной ткани благодаря их биосовместимости и способности контролировать физико-химические свойства каркаса. Они состоят из алифатических полиэфиров, таких как полигликолевая кислота (PGA), поликапролактон (PCL) и полимолочная кислота (PLA)9. К сожалению, они довольно хрупкие и обычно теряют прочность из-за быстрой деградации in vivo. Более того, их гидрофобная природа препятствует прикреплению и пролиферации костных клеток10. Чтобы преодолеть эти ограничения, каркасы на основе синтетических полимеров, а именно PLA или PCL, можно улучшить, включив в них армирующие материалы из натуральных полимеров, таких как целлюлоза11,12,13,14,15, альгинат16, желатин17, хитозан18,19 или кератин20, известные своими интересными характеристиками.

Для разработки каркасов для инженерии твердых тканей используются несколько методов, в том числе литье из растворителя и выщелачивание частиц, эмульсионная лиофилизация, разделение фаз или электропрядение21,22,23. Однако они не позволяют эффективно контролировать морфологию и пористость.

Аддитивное производство зарекомендовало себя как метод выбора для разработки и изготовления биомиметических материалов для восстановления кости. 3D-контролируемые архитектуры каркасов существенно влияют на механические свойства, а также на адгезию и пролиферацию костных клеток2,24,25,26,27,28. Поэтому различные работы были сосредоточены на разработке 3D-печатных каркасов с использованием различных технологий, таких как стереолитография, 3D-графика, селективное лазерное спекание, биопечать и моделирование наплавлением (FDM). FDM — наиболее широко используемая технология аддитивного производства. Это простой и быстрый метод с низкой стоимостью, предлагающий большие возможности для работы с полимерами.