研究人員3D打印碳微晶格結(jié)構(gòu)用于骨組織再生平臺(tái)，兼具結(jié)構(gòu)完整性和細(xì)胞誘導(dǎo)特性

2025年7月23日，南極熊獲悉，IMDEA材料研究所研究人員的一項(xiàng)新研究取得了再生醫(yī)學(xué)的突破，證明了3D打印碳微晶格作為骨組織工程結(jié)構(gòu)可調(diào)支架的潛力。具體而言，碳支架采用3D打印聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）結(jié)構(gòu)制造，并通過(guò)高溫處理轉(zhuǎn)化為熱解碳（PyC）。

△來(lái)源：IMDEA材料研究所

他們的研究成果以題為“Pyrolytic Carbon Microlatticesfrom 3D-Printed Polyethylene Glycol Diacrylate and their In Vitro Assessment for Bone Regeneration”的論文發(fā)表在《小型結(jié)構(gòu)》雜志上。研究團(tuán)隊(duì)由 Islam 博士領(lǐng)導(dǎo)，還包括 IMDEA 材料研究員 Wei Tang、Miguel Monclús 博士、Mónica Echeverry Rendón 博士、De-Yi Wang 教授和前 IMDEA 材料研究員 Jesús Ordoño 博士。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/sstr.202500290

本項(xiàng)研究為碳基材料在骨組織工程中的應(yīng)用開(kāi)辟了有希望的途徑，骨組織工程領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)一直在尋找結(jié)合機(jī)械強(qiáng)度、生物相容性、定制設(shè)計(jì)與幾何精度的生物材料。

IMDEA Materials公司的MonsurIslam博士說(shuō)道：“這項(xiàng)研究首次對(duì)3D打印的PyC支架在骨再生方面的應(yīng)用進(jìn)行了全面的體外評(píng)估。我們的目標(biāo)是超越傳統(tǒng)的支架材料，探索碳作為組織工程完全架構(gòu)化、可調(diào)控平臺(tái)的可能性。雖然其他形式的碳，例如石墨烯或碳納米管，在骨再生方面已展現(xiàn)出良好的前景，但它們通常需要嵌入聚合物中，這往往會(huì)掩蓋其真正的潛力�！�

通過(guò)使用純碳3D打印和熱解成型，來(lái)創(chuàng)建具有可編程機(jī)械和化學(xué)特性的支架。真正令人矚目的是，這些結(jié)構(gòu)可以引導(dǎo)細(xì)胞行為，促進(jìn)增殖或成骨，而無(wú)需任何表面涂層或生物活性添加劑。正因如此，這項(xiàng)研究才成為碳在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。其中，熱解過(guò)程是在無(wú)氧條件下高溫分解有機(jī)物的過(guò)程。

△a)熱解前（左）和熱解后（右）具有八位單元胞的 3D 打印微晶格結(jié)構(gòu)的數(shù)碼照片，突出顯示了熱解后的劇烈?guī)缀问湛s。左下角的插圖顯示了八位單元胞的設(shè)計(jì)。b ) PyC 微晶格的 SEM 圖像，描繪了原始前體設(shè)計(jì)的保留。c )單個(gè) PyC 晶格元素的高倍SEM 圖像。

這項(xiàng)研究是歐洲瑪麗居里行動(dòng)項(xiàng)目 3D-CARBON 的一部分，其中有機(jī)感光樹(shù)脂 PEGDA 首次用于基于紫外線的樹(shù)脂 3D 打印，其中復(fù)雜的 3D PEGDA 結(jié)構(gòu)是在逐層光聚合過(guò)程中制造的。

這些結(jié)構(gòu)隨后經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤膺^(guò)程，形成基于碳的框架，根據(jù)加工條件表現(xiàn)出增強(qiáng)的機(jī)械、電或熱性能。

重要的是，原始結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了顯著的幾何收縮（高達(dá)約80%），但仍保留了原始幾何形狀。與UV 3D打印工藝相比，這種收縮實(shí)現(xiàn)了更高的打印分辨率，從而能夠制造出與天然骨相似的孔隙幾何形狀。

研究人員還證明了如何通過(guò)將熱解溫度從 500°C 改變?yōu)?900°C 來(lái)有效調(diào)整所得碳微晶格的物理和生物特性。在較高溫度下，碳的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度更高，彈性和硬度值接近天然骨，使其在骨修復(fù)的臨床應(yīng)用中特別有前景。

有趣的是，研究表明，在較低熱解溫度下制備的PyC支架保留了更多含氧表面基團(tuán)，從而提高了代謝活性并增強(qiáng)了細(xì)胞增殖。這表明，調(diào)節(jié)熱解參數(shù)可以提供一種強(qiáng)有力的工具來(lái)指導(dǎo)細(xì)胞行為。

與許多現(xiàn)有的支架材料不同，例如缺乏強(qiáng)度的聚合物或難以加工成天然骨幾何尺寸的陶瓷，這些PyC 微晶格提供了可加工性、生物相容性、機(jī)械彈性和表面可調(diào)性的罕見(jiàn)組合。此外，它們與基于 MRI 的監(jiān)測(cè)的潛在兼容性比基于金屬的植入物具有顯著的優(yōu)勢(shì)。