《International Journal of Biological Macromolecules》：Harmonizing akermanite and starch-based fabrication techniques on 3D printed scaffolds for empowering bone tissue regeneration
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骨组织再生难题可通过PLA 3D打印支架结合Akermanite淀粉涂层解决，实现机械强度（结晶度38.12%）、生物活性（99%细胞存活率）及抗菌性能（抑菌率99%）协同提升，为骨修复提供新型复合材料。
Seyedeh Nooshin Banitaba | Sanaz Khademolqorani | Aliakbar Najafinezhad | Sepideh Nasiri-Harchegani | Ahmed M. Elgarahy
Emerald Experts实验室，伊斯法罕科学与技术城，伊斯法罕，84156-83111，伊朗
摘要
在再生疗法中，骨组织的再生是一个巨大的挑战，尤其是对于那些超出身体自身修复机制范围的广泛或复杂的缺陷。3D打印支架的发展成为一种有前景的方法，可以创建具有精确结构设计的仿生结构。然而，一个主要障碍是找到能够同时提供机械强度、生物降解性和生物活性的结构材料。本研究详细介绍了使用熔融沉积建模（FDM）技术制造的聚乳酸（PLA）支架，这些支架的孔呈正方形排列，在X轴和Y轴之间呈90°角。为了提高其生物性能和机械特性，通过电纺、薄膜浇铸和海绵技术将含有Akermanite的淀粉基溶液涂覆在支架表面。初步结果显示，添加Akermanite显著提高了所有制备支架的压缩强度和生物活性，同时保持了其结构稳定性。在开发的各种结构设计中，含有电纺纤维的改良组合物表现出优异的结晶度（约38.12%），使得在14天内降解速率得到控制（45%）。所得支架还显示出了99%的细胞存活率，并且非常适合MG63细胞的附着。此外，该材料还表现出良好的抗菌性能，对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的菌落计数分别为（1.04 ± 0.05）× 106和（2.02 ± 0.48）× 107。因此，本研究为进一步的体内研究和淀粉基生物陶瓷复合材料在骨修复中的临床应用奠定了坚实的基础。未来的研究应侧重于全面的体内研究，以评估该平台在生理条件下的长期耐久性和生物性能。同时，可以探索加入生长因子或干细胞等生物活性剂的策略，以进一步增强其成骨潜力。此外，还应优化3D打印基底的几何结构，因为结构设计参数可能在改善细胞反应和整体骨再生效率方面起着关键作用。
引言
骨组织工程（BTE）作为一种突破性方法，旨在克服传统骨缺损和损伤治疗方法（如自体移植和异体移植）所带来的挑战。这些传统方法通常存在显著的缺点，包括供体部位的并发症、免疫排斥的可能性、移植物的有限可用性以及疾病传播的风险。为了解决这些紧迫问题，BTE利用了工程生物材料、特化细胞和生物活性信号的协同潜力。这种多学科方法模仿了骨的自然结构和生物信号，促进了新组织的形成，同时恢复了功能，从而提高了成功康复的总体潜力[1]、[2]、[3]。
BTE的基础在于设计和制造支架，这些支架作为临时的细胞外基质（ECMs）[4]。这些支架在引导细胞粘附、增殖、分化以及最终促进原生骨组织再生方面起着至关重要的作用。理想的支架必须满足几个关键要求：它应该是生物相容的，具有适当的生物降解性，提供足够的机械强度，具有高孔隙率，并能有效促进血管化和骨整合[5]、[6]。在各种可用的支架制造技术中，三维（3D）打印（也称为增材制造）引起了广泛关注。这项技术提供了对支架结构、孔隙率和形状的无与伦比的控制，实现了患者特定的定制和一致的可重复性[7]。尽管3D打印带来了许多进步，但选择合适的生物材料仍然是一个重大挑战。目前，没有一种单一材料能够全面满足所有的机械和生物要求。这一挑战导致了对复合支架的兴趣日益增加，复合支架结合了不同材料的优点。特别是无机生物陶瓷与天然聚合物的结合，在提高支架性能方面展现了巨大潜力。除了3D打印支架材料可用性的限制外，还存在一些显著的缺点，包括机械强度不足、界面结合不佳、分辨率和精度受限、孔径过大以及血管化支持不足[8]、[9]、[10]。
作为一种代表性的生物陶瓷，Akermanite（Ak, Ca?MgSi?O?）是一种含镁的硅酸盐陶瓷，因其促进骨再生的生物活性而受到越来越多的认可。它能够释放有益离子（Ca2+、Mg2+、Si4+），增强骨细胞活性、血管生成和矿化作用，同时还具有出色的生物相容性和机械性能。然而，其脆性和加工难度限制了其在3D打印中的应用[11]、[12]。相比之下，淀粉是一种可生物降解的多糖，由于其低成本、生物相容性和易于修改而受到青睐，适用于支架制造。淀粉水凝胶非常适合用于基于挤出的3D打印；然而，它们缺乏骨应用所需的机械强度和生物活性，这需要加入无机材料[13]、[14]。将Akermanite与淀粉基基质结合提供了一种协同解决方案，因为Akermanite增强了生物活性和强度，而淀粉则为支架提供了灵活的、可打印的基质。然而，关于优化这些复合系统用于3D打印骨再生支架的全面研究还相对缺乏[15]、[16]。
要克服传统3D打印支架的固有缺点，需要采用一种混合策略，结合电纺、薄膜浇铸和海绵模板等互补方法来提升其性能，使其成为强大的支持平台[15]、[18]。将这些制造技术与3D打印网络相结合，可以显著提高支架的结构完整性和功能能力。为了评估这种组合方法的有效性，本研究深入探讨了细胞的骨再生行为，揭示了这些先进技术如何协同作用以促进最佳的组织修复和再生。在这项工作中，我们通过设计和评估添加了Akermanite/淀粉涂层的PLA基3D打印支架，在三种不同的结构中进行了研究：电纺纳米纤维、薄膜和多孔海绵。与之前仅限于单一涂层方式（例如仅电纺、薄膜或海绵）的3D打印研究不同，我们的多方面方法实现了功能的增强。比较这些涂层策略有助于优化它们的微观结构，这些结构对降解动力学、细胞粘附、抗菌效果和支架的整体性能至关重要。构建的支架经过多种性能评估，包括机械强度、微观结构形态、体外降解行为和生物相容性，以应用于骨组织工程。假设3D打印的PLA结构能够提供所需的形状保真度和机械强度。淀粉涂层的存在使复合材料具有可调节的降解性，并增强了细胞-材料相互作用。此外，Akermanite元素弥补了骨支架中的生物惰性。因此，这种复合设计优化结合了这些成分，从而提供了机械稳定、生物活性和可降解的骨组织工程支架。
部分摘录
3D打印基层的制造
为了制备3D打印网络，将聚乳酸（PLA）装入基于熔融沉积建模（FDM）技术的3D打印机中。打印机精确且艺术性地实现了预先准备的SolidWorks模型。使用Slic3r切片软件，将标准三角形语言文件转换为G代码，准备进行打印命令，然后通过Repetier软件发送。机器被调整到最佳速度150 mm/s运行。
形态特征
本研究通过涂层技术优化和提升了3D打印PLA结构的架构，以促进骨再生。因此，重点研究了三种环保的淀粉基结构——电纺纤维、浇铸薄膜和海绵层，展示了可持续材料的潜力。为了进一步提高这些结构的性能，涂层层中添加了合成的Akermanite纳米陶瓷。如图1（a-c）所示，Akermanite纳米粉末被
结论
本研究展示了通过各种制造技术（包括电纺、薄膜浇铸和海绵成型）将Akermanite和淀粉基材料协同整合，开发出先进的3D打印支架，从而增强了骨组织再生。Akermanite的生物活性和出色的机械强度与淀粉衍生物的生物降解性和高效加工性完美结合。这种融合创造了一种复合材料，能够模拟
CRediT作者贡献声明
Seyedeh Nooshin Banitaba：撰写——原始草稿，研究，数据分析，概念化。Sanaz Khademolqorani：撰写——原始草稿，方法论，研究，数据分析，概念化。Aliakbar Najafinezhad：研究，数据分析。Sepideh Nasiri-Harchegani：数据分析。Ahmed M. Elgarahy：撰写——审稿与编辑，验证，监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
