稀土上轉換納米顆粒(UCNPs)用于生物體內的無創(chuàng)3D打印

來源：Lanthanides and Biomass

在醫(yī)療方面，某些疾病需在患者體內植入生物醫(yī)療材料。但此類裝置的植入過程存在手術并發(fā)癥和感染的風險。在本篇文章中，學者開發(fā)了一種上轉換納米顆粒（UCNP）輔助的3D生物打印方法，以實現(xiàn)無需侵入性手術的體內成型。合理設計的UCNP可將穿透皮膚組織的近紅外(NIR)光子轉換為藍紫光發(fā)射（300-500nm），在體內誘導單體聚合固化。使用熔融沉積建模協(xié)調框架，近紅外激光的精確預定軌跡能夠制造具有定制形狀的植入式醫(yī)療設備。成功實現(xiàn)了無創(chuàng)骨折固定支架的3D生物打印，從而展示了一種用于生物醫(yī)學治療的全新體內成型方法。

這是一種基于ucnps輔助聚合過程的無創(chuàng)三維生物打印骨折固定系統(tǒng)，如圖1所示。采用三維坐標定位框架固定NIR連續(xù)波（CW）激光器，對三維支架模型采用計算機輔助設計（CAD）精確控制NIR的運動。利用UCNPs作為內置固化光源，生物相容性水凝膠單體，如明膠甲基丙烯�；�（凝膠MA）和丙烯單體，可以在NIR輻照下有效聚合。在這項研究中，一個含有UCNPs作為生物墨水的單體溶液在體內被非侵入性地打印成一個定制的形狀。此研究設計了核殼結構稀土納米顆粒（NaYF4：Tm3+@NaYbF4@NaYF4）來調制藍紫光發(fā)射，實現(xiàn)高效的光聚合，如圖2所示。

所設計的UCNPs的不同核殼結構的發(fā)光性能和光固化效果如圖3所示，在此基礎上優(yōu)化了UCNPs。學者還研究了UCNPs在光引發(fā)劑吸收范圍內的PL性能（圖3d）。發(fā)現(xiàn)光引發(fā)劑在藍紫范圍內表現(xiàn)出吸收，這與所得到的UCNPs的PL光譜高度重疊。NIR誘導的UCNPs的光聚合性能如圖3e所示。在NIR CW激光激發(fā)下，相應的UCNPs產生的藍紫光可以被光引發(fā)劑吸收，產生自由基，促進單體聚合。所探索的生物油墨由樹脂單體（凝膠MA、丙烯），光引發(fā)劑，以及用于NIR三維光固化的UCNPs組成。經測試發(fā)現(xiàn)光固化率隨曝光時間和NIR光功率的增加而增加。當NIR激光器的功率超過2.5W時，在輻照后10 s內固化率達到最大值（圖3f）。因此，設計的UCNPs有效地啟動了NIR誘導的聚合，并且減少了紫外線在體內塑造過程中對細胞造成的損傷。

該體系能夠實現(xiàn)復雜三維聚合物結構的形成。首先，利用NX10.0設計了一個三維模型，并通過Cura軟件和控制計算機定義了激光器的運動路徑。接下來，將相應的生物墨水放置在坐標系原點的玻璃皿中。在計算機上使用Repetier軟件控制激光運動路徑，完成不同模型的打印。

使用該方法可打印出適合不同骨折的固定支架，如斜向骨折（圖4a)、粉碎性骨折（圖(4b)。在這里，骨骼可以在骨折部位原位準確形成，并完美地貼合到骨表面，從而確保為骨折修復過程提供更穩(wěn)定的支撐。此外，學者使用ucnps輔助的3D生物打印技術，無創(chuàng)制備出定制的固定支架。首先，利用計算機斷層掃描（CT）對大鼠進行三維骨骼重建，獲得骨折位置的準確三維坐標。隨后，根據骨折條件設計了支架的三維模型。實驗室大鼠體內骨折的圖像如圖4c所示。隨后，將生物墨水溶液注射到實驗室大鼠的骨折部位（圖4d）。在計算機控制下，NIR沿著計劃的路徑形成生物墨溶液（圖4e）。使得支架在體內無創(chuàng)固定在骨折部位（圖4f）。這表明，ucnps輔助的無創(chuàng)體內NIR 3D生物打印技術具有在原位制備復雜組織用于器官重建的潛力，且醫(yī)源性損傷最小。

本研究中選擇的水凝膠材料具有生物相容性，已廣泛應用于生物醫(yī)學應用。細胞相對活力實驗表明，生物墨水具有良好的細胞相容性，即使使用不同濃度的生物墨水，細胞活力也沒有顯著下降。

總之，基于ucnps輔助的NIR聚合過程，學者開發(fā)了一種使用協(xié)調框架的無創(chuàng)三維生物打印成型方法。合理設計了核殼UCNPs，在光引發(fā)劑的吸收光譜范圍內提供高效的藍紫發(fā)射。利用協(xié)調定位框架，實現(xiàn)NIR激光沿預定軌跡的精確運動，基于給定的三維模型制作物體。因此，定制支架可以在局部骨折部位皮下注射的生物墨水在體內無創(chuàng)打印，用于骨折修復，顯示了在臨床或醫(yī)學研究中的潛在應用。