灵感源于雪花的新策略：3D打印精准构建仿骨结构梯度支架

中国科学院深圳先进技术研究院医药所退行性中心阮长顺、潘浩波和哈尔滨工业大学富宏亚团队交叉协作，提出一种可用于挤出式 3D打印的仿“松质骨-皮质骨”径向梯度的骨组织工程支架构筑策略，将分形学应用于仿生骨支架设计，克服了传统挤出式 3D打印技术难以实现径向梯度孔隙结构的困难，相关成果以“Fractal Design Boosts Extrusion-Based 3D Printing of Bone-Mimicking Radial-Gradient Scaffolds”为题发表在Research上。


研究背景
临界骨缺损作为 骨科面临的主要问题之一严重影响人们的健康和生活质量。
成年人体骨由高孔隙率的松质骨和低孔隙率的密质骨组成。
最近Science研究论文表明天然骨组织具有从纳米尺度到宏观尺度至少12级的分形状组织。
为了模拟天然骨的梯度孔隙结构，包括维诺镶嵌法（Voronoi tessellation method）、三重周期性极小曲面（TPMS）、 拓扑优化等计算机辅助设计（CAD）方法已被用于设计具有复杂梯度结构的骨支架模型，但是上述方法所得支架的制造技术主要为数字光处理（DLP）、选择性激光熔融（SLM）、电子束熔融（EBM）和立体光刻（SLA）等，它们多为对 生物制造相对不友好的 3D打印技术。

挤出式3D打印（Extrusion-Based 3D Printing）因其操作简单、可用材料范围广、易于细胞打印等优点得到广泛应用，目前虽有一些文献通过调整挤出丝束直径和分布间距等参数来设计具有轴向梯度孔隙的支架，但对于支架沿径向梯度变化的研究较为缺失。


研究进展
鉴于此，作者受分形理论的启发，基于科赫雪花的迭代规则设计，定义了分形支架的分形曲线的单元线条。

通过将分形单元线条进行圆周阵列得到分形层，并设计圆环层使其在挤出式3D打印堆积成型的过程中与分形层相互支撑（图1）。


图1 仿生径向梯度骨组织工程支架的设计
此外，为了参数化构建径向梯度骨组织工程支架，搭建了“设计-制造”的工作流，并构建了关于支架的孔隙率、机械性能、渗透性能等参数的性能分析（图2）。


图2 设计-制造工作流
研究结果表明所构建的仿生径向梯度支架在孔隙结构、渗透性能、机械性能等方面展现优异的梯度特征（图3）。


图3 挤出式3D打印仿生支架的孔隙结构、力学性能和渗透性能
未来展望
本文已证实分形设计策略在挤出式3D打印构建仿生梯度多孔支架方面具有可行性。未来，课题组将进一步论证梯度结构在骨修复过程中的生物学功能，旨在推动本研究所提出分形设计策略应用于 临床组织工程骨的构建应用。

此外，还将其扩展应用到其他生物 医学工程领域，如个性化软骨、整形修复等。