用于下一代骨组织工程的3D/4D打印生物压电智能支架

天然骨骼中的压电已被公认为骨骼再生的关键因素。然而，目前的增材制造支架主要侧重于仿生拓扑结构和力学微环境的重建，而忽视了骨再生中至关重要的电微环境(EM)。天然骨骼中的压电已被公认为骨骼再生的关键因素。然而，目前的增材制造支架主要侧重于仿生拓扑结构和力学微环境的重建，而忽视了骨再生中至关重要的电微环境(EM)。

该研究发表在《国际极限制造杂志》(IF：14.7)上，展示了 3D/4D 打印生物压电支架在下一代骨组织工程中的巨大潜力。

目前3D/4D打印技术的能力与生物压电支架的临床应用需求存在显着差距。它的巨大发展需要材料科学、机械工程、生物工程等多学科的共同努力。它的广泛采用还应从智能制造、仿生医学、机器学习等一些前沿技术中汲取灵感。

“原则上，这开启了智能生物压电支架的设计和制造，通过模仿组织的关键电微环境来促进骨修复，”香港城市 大学博士后研究员、该研究的第一作者 Annan Chen 说。华中科技大学教授严春泽教授和讲座教授陆健教授表示：“ 从本质上讲，它为构建下一代骨组织工程智能支架的潜在突破提供了新的启示 。”在香港城市大学。

这种压电性已在人体骨骼中得到证实，人体骨骼在受到压缩或拉伸时会产生正电荷和负电荷。例如，人类胫骨在行走时可以产生约 300 μV 的压电势。因此，压电材料在模拟骨组织的电磁方面表现出独特的优势，可以显着促进细胞的新陈代谢和新骨的形成。压电材料的表面电荷可以通过离子或电荷相互作用吸引离子促进细胞粘附，并激活生长因子表达以改善细胞增殖和成骨分化。

增材制造的生物压电支架可以通过非侵入性超声刺激重建所需的组织电镜。当受到外部刺激时，3D 结构的这种与时间相关的功能转移行为也被定义为四维 (4D) 打印。这种新型 4D 功能转换生物压电支架可以提供时间依赖性可编程电生理微环境，以响应组织再生的外部刺激。

然而，现有3D/4D打印技术的能力与生物压电支架的临床应用需求之间存在显着差距，需要付出更多努力才能完全弥补这一差距。事实上，3D/4D打印生物压电支架充分融合了材料科学、机械工程、生物工程等多学科的优点，科学家认为其巨大发展需要多学科的共同努力。

随后，陈开始尝试一些多年前发现的无铅生物压电材料，但基本上被忽视了。他专注于生物压电材料的材料-形貌-生物功能集成 3D/4D 打印，用于先进的生物应用。

令科学家惊讶的是，生物压电材料表现出优异的可加工性和生物相容性。更重要的是，它们是多细胞诱导的。“我们发现它们的电微环境可以诱导骨细胞分化，促进血管细胞募集和神经细胞修复，”陈说。这在临床应用方面具有巨大的潜力。

但对于临床医学来说，最引人注目的是生物压电支架的重建策略是微创或无创的。“通过可编程超声或磁治疗作为远程机械刺激，可以提供具有可调节时间线、持续时间和强度的按需体内电刺激， ”严说。

陈彦、鲁及其实验室与校内其他科学家合作，试图结合多学科的优势，推动3D/4D智能压电生物支架在更多医疗领域的应用。“我们正在与骨科、口腔科、肿瘤科等领域的专家开展合作研究，取得了预期的研究成果。 ”陈说。

多年来，3D/4D 打印技术融合了传统生产技术的许多优点。尽管从实验室到临床还有很长的路要走，但团队对3D/4D打印的未来表示乐观。“生物压电支架3D/4D打印充分融合了材料科学、机械工程、生物工程等多学科的优势，其巨大发展需要多学科的共同努力。”卢教授说 。