天津大学刘文广教授:3D打印超高强度聚合物水凝胶,或可代替受损半月板

作者:郑州白泽3D打印 发布时间:2022年03月07日15:29:05 47次浏览
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天津大学刘文广教授:3D打印超高强度聚合物水凝胶,或可代替受损半月板
半月板是位于股骨髁(FC)和胫骨平台(TP)之间的楔形纤维软骨组织,在传递和重新分配负荷、提供缓冲和吸收能量、润滑和稳定膝关节等方面起着至关重要的作用。在过去的十年中,人们致力于半月板替代品的开发,目的是再现半月板的微观结构,恢复半月板的功能,从而保护关节软骨免受磨损。然而,这些植入物在几何设计上是均匀的,没有模仿原生半月板的精细微结构,机械强度较弱,因此只适合于半月板部分切除术后保留完整血管区(半月板外缘)的治疗。由于难以再现各向异性的微结构和模量,开发一种具有可靠的长期机械和功能支持的半月板置换手术面临着巨大的挑战。到目前为止,还没有结构完整、综合力学性能高、足够坚固的替代品用于长期的半月板置换。

近日,天津大学刘文广教授课题组首次报道了一种高强度超分子聚合物水凝胶缓冲仿生结构半月板置换物。径向和周向取向的聚(e-己内酯)(PCL)纤维框架是3D打印的,模仿天然半月板中的胶原纤维,以提供周向拉伸支撑。然后,氢键增强的抗膨胀聚(n -丙烯酰甘氨酸酰胺)(PNAGA)水凝胶,复制了蛋白聚糖在抗轴向压缩载荷中的功能,注入进3D打印PCL框架,从而实现了持久的能量吸收和缓冲功能,远优于常规聚丙烯酰胺水凝胶的性能。PNAGA缓冲-PCL的周向杨氏模量为20.15±1.37 MPa,径向杨氏模量为10.43±1.54 MPa,压缩模量为1.11±0.14 MPa,撕裂能为17.00±2.07 kJ m−2。该3D打印PCL-PNAGA半月板支架植入兔膝关节12周,体内结果显示其结构稳定,有效保护软骨免受磨损,同时改善了骨关节炎的发展。相关工作以“3D Printed High-Strength Supramolecular Polymer Hydrogel-Cushioned Radially and Circumferentially Oriented Meniscus Substitute”为题发表在《Advanced Functional Materials》。
方案1. 3D打印高强度超分子聚合物水凝胶缓冲径向和周向导向半月板替代品示意图。

为了模拟微结构特征,并考虑到机械需求,研究者提出构建一个PNAGA缓冲3D打印PCL框架半月板替换物,它由径向和周向的PCL纤维组成,模仿天然半月板的胶原纤维网络,从而提供机械支持,特别是周向的抗拉能力,以及填充PCL框架的PNAGA水凝胶,以复制蛋白多糖抵抗轴向压缩载荷和提供缓冲的功能(方案1)。考虑到PCL结构的疏水性,对其进行碱预处理,以增加PCL与PNAGA的润湿性和表面接触面积。


图1. 不同针型PCL支架的光学显微图像(30 G,内径0.3 mm;40G,内径0.4 mm;50G,内径0.5 mm):a) 4×(比例尺:1 mm)、8×放大倍数(比例尺:300μm); b) 4×放大倍数(比例尺:1 mm)时不同的纤维间距(1000、2000、3000μm)。c)不同类型针头的PCL支架中纤维的理论直径和实际直径。d)不同纤维间距PCL支架的孔径。数据以平均值±SD表示。n = 3。

3D打印PCL支架的表征
为了研究打印针类型对PCL支架中纤维直径的影响,在倒置荧光显微镜下观察了打印参数优化后通过不同针头打印的PCL支架。从图1a、c中可以看出,在3D打印过程中,使用较大的针可以得到较大的纤维直径和较小的孔径。值得注意的是,由于PCL典型的挤出膨胀现象,纤维的理论直径小于实际直径。考虑到兔半月板的尺寸较小,最终使用30G型号的针头3D打印PCL支架进行体内植入。

PCL-PNAGA支架的制备与表征
为了修复半月板损伤,延缓骨关节炎的发展,本研究提出了一种PCL-PNAGA支架的构建策略,该支架由刚性PCL框架进行机械支撑,软质PNAGA水凝胶进行能量耗散和缓冲。由于PCL支架的亲水性不足,不利于NAGA水溶液的渗透和PCL与PNAGA水凝胶的界面结合,采用简单方便的NaOH刻蚀法对3D打印PCL支架表面进行处理,目的是增强PCL的亲水性。将3D打印的PCL支架在37℃、10 M NaOH溶液中浸泡1 h。彻底清洗后,将含有光引发剂的30 wt%的NAGA单体溶液注入PCL支架网络中,然后光聚合生成矩形和圆柱形PCL-PNAGA支架和PCL-PNAGA半月板支架。
图2. 排列交错PCL支架和不同纤维间距PCL-PNAGA支架的力学性能。拉伸强度,断裂伸长率,杨氏模量和断裂能。

PCL支架和PCL-PNAGA支架的力学性能
为了分析3D打印PCL支架和PCL-PNAGA支架的生物力学性能,进行了单轴拉伸和无侧限压缩试验(图2a-d)。从拉伸应力-应变曲线可以看出,所有支架都经历了弹性变形、屈服、变形发展、应变硬化和逐渐破坏五个阶段。随着纤维间距的增大,排列式PCL支架和交错式PCL支架的抗拉强度和杨氏模量均呈下降趋势,原因是支架孔径增大,纤维数量减少。随着纤维间距的增加,PCL-PNAGA支架的拉伸强度和杨氏模量也出现了类似的下降。然而,当单体浓度为30 wt%时,PCL-PNAGA支架的抗拉强度和杨氏模量均比PNAGA水凝胶提高了约两个数量级(0.95±0.04 MPa, 0.15±0.01 MPa)。特别是PCL-PNAGA支架具有比PNAGA水凝胶更高的杨氏模量,可以满足半月板置换的要求。尽管它们的力学性能在拉伸强度和杨氏模量方面不如原生半月板,但PCL-PNAGA支架具有足够的强度来维持结构的完整性,并发挥荷载传递的功能。
图3. a,e)对齐和c,g)交错PCL-PNAGA支架的抗疲劳性能与循环拉伸(a,c)和压缩(e,g)加卸载试验1000个循环。b,d,f,h)分别计算第一个循环和每100个循环对应的极限应力和耗散能。在所有循环中,最大应变为30%。

图4. a) 3D打印PCL半月板支架和PCL-PNAGA半月板支架示意图和照片(比例尺:1cm)。b) PCL-PNAGA半月板支架沿径向和周向拉伸的拉应力-应变曲线,c)相应的抗拉强度和杨氏模量。d) PCL-PNAGA半月板支架沿轴向压缩应力-应变曲线。e) PCL-PNAGA半月板支架1000次循环压缩加卸载试验的抗疲劳性能,f)计算对应的第一次循环和每100次循环的极限应力和耗散能。g)小鼠胚胎成纤维细胞(L929)在PCL半月板支架和PCL-PNAGA半月板支架上培养1天和3天后的细胞活力。

为了探索PCL-PNAGA半月板支架替代半月板的可行性,研究者也对其力学性能进行了评估。如图4b、c所示,半月板支架的周向抗拉强度为3.40±0.19 MPa,杨氏模量为20.15±1.37 MPa,径向抗拉强度为1.41±0.08 MPa,杨氏模量为10.43±1.54 MPa。这表明它可以很好地承受周向和径向的拉力,以避免膝关节的径向和纵向撕裂。

图5. a) 3D打印PCL和PNAGA缓冲PCL半月板替代物在兔模型的植入过程。b)术后4周、8周、12周(4周、8周、12周)股骨髁(FCs)、胫骨平台(TPs)、半月板植入物肉眼观察(比例尺:1cm)。c)国际软骨修复学会(ICRS)评分评估软骨退化。

半月板支架的体内植入
3D打印PCL-PNAGA半月板替代物在兔模型中的植入过程如图5a所示。通过宏观观察和国际软骨修复协会(ICRS)评分来检测PCL-PNAGA半月板支架的软骨保护作用(图5b,c)。图5b为兔膝FC和TPs以及植入支架表面的宏观照片。半月板切除术组在4周和8周后,股骨和胫骨表面出现散在性裂隙,植入时间较长,甚至出现较大裂隙,软骨下骨外露。相比之下,PCL-PNAGA组的FC和TPs呈现完整光滑的表面,与假手术组相似。即使在12周后,PCL-PNAGA组仅观察到轻微的软骨表面侵蚀(图5b)。
图6. a)术后4周、8周和12周(4、8和12周)股骨髁(FCs)和胫骨平台(TPs)的组织学评估。b)国际骨关节炎研究学会(OARSI)评估软骨退化的评分。

小结
       研究者设计并制作了一种机械强度高的超分子聚合物水凝胶注入刚性聚己内酯(PCL)人造半月板来模仿天然半月板的微结构。PCL纤维框架首先以径向和圆周方向3D打印,以模拟天然半月板中的胶原纤维,从而提供圆周拉伸支撑。氢键增强不膨胀聚(n-丙烯酰甘氨酸酰胺)(PNAGA)水凝胶,其功能为蛋白聚糖类缓冲垫,然后将具有抗轴向压缩载荷能力的吸能层填充到3D打印PCL框架中,形成集成的PCL-PNAGA半月板替代品。周向杨氏模量为20.146±1.369 MPa,径向杨氏模量为10.426±1.539 MPa,压缩模量为1.11±0.14 MPa,撕裂能为17.00±2.07 kJ m −2,以耗散外部能量,减少磨损。3D打印PCL-PNAGA半月板置换术植入兔膝关节12周。体内结果表明,软骨结构稳定,有效保护软骨免受磨损,同时改善骨关节炎的发展。这种PCL-PNAGA半月板替代物具有精细的仿生微结构和各向异性的生物力学,可能代表了半月板替代在临床前应用的一个有前途的策略。
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