壓力輔助直接墨水書寫(p-DIW)技術在再生醫學領域廣泛吸引了許多研究人員的興趣，因為它可以製造具有改進生物功能和明確微結構的3D打印個性化植入物。這種增材製造(AM)技術在可用於生物油墨的材料中具有高度的通用性，包括天然和合成生物聚合物、混合水凝膠和納米結構或納米複合材料。在這種背景下，通過引入創新的生物墨水，這些墨水是通過模擬生物礦化過程的生物啟發方法合成的，p-DIW可以產生具有骨樣納米結構的複雜雜化支架。模擬天然骨的組成和結晶度，顯著改善最終支架的細胞相容性，為細胞增殖和分化提供合適的微環境，從而增強植入物[2]的骨整合。這些結構可以作為一個3D模板，指導組織的再生過程，同時保持機械完整性，直到組織自然再生。

P-DIW與計算機輔助設計相結合，可以通過高精度和可重複性的全自動過程，創建具有明確內部多尺度孔隙度的3D支架。多孔網絡的形成具有雙峰式孔徑分布(微觀和宏觀)和高度互聯性的連續性，極大地促進了礦化組織的生長和血管化[3,4]。小孔隙保證骨氧合、血管生成、營養和廢物擴散，而大孔隙在細胞發育、細胞生長的定向和方向性中很重要，因此負責支架的生物活性。

計算機輔助設計的一個重要優勢是能夠設計符合宿主骨骼物理和生物力學要求的個性化植入物[5]。這些複雜的結構的設計過程始於收購計算機斷層掃描(CT)或磁共振成像(MRI) 2 d圖像數據集,可以進口和加工在專門的軟件來創建一個surface-rendered 3 d體積模型,骨缺損的麵積,為了確定解剖和微觀結構特征,將定義的外部形狀和內部微架構植入,以及插入的確切地點。通過對支架[6]的拓撲優化，可以進一步增強這種多尺度層次結構。

3D打印支架的(納米)力學行為不僅需要承載能力，還需要評估表麵粘附性和隨時間變化的變形。通常，納米壓痕研究是在大塊(無孔)材料和多孔支架[7]的壁上進行不同穿透深度的研究。納米力學繪圖研究是一種很有前途的方法，可以評估支架壁的小範圍完整性[8]。此外，特性納米壓痕粘附測試包括將尖端壓入圖案樣品中，然後以恒定的速度卸載它，最後獲得代表粘附表麵的獨特(通常是突然的)拉力。在卸載[9]期間，黏著力在載荷-位移曲線上作為負載荷區域被觀察到。這個實驗的原理是將金剛石探針尖端與平麵聚合物基板接觸，並確定分離這兩種材料所需的最大拉力。對於以前無法達到的材料，特別是具有分層結構的生物材料，力學行為的定量評估現在成為可能。這種方法的一個關鍵特性是選擇適當的(通常是原型或修改的)尖端幾何形狀和測試協議。

上述組合方法構成了全自動製造完全細胞兼容的3D打印支架的一種有前途的整體方法，目標是組織再生，而不是損傷骨的臨時替代。此外，這種AM工藝確保材料浪費最小化，生物油墨的固有生物降解性使其成為一種環境友好的解決方案。這種創新的治療方式降低了可能的臨床並發症(例如炎症反應和隨後的種植體排斥反應)的風險，因為3D打印的種植體是在植入前從宿主的小活組織組織中提取細胞的體外種子，而且總體手術成本也降低了。該過程的標準化和認證有望為患者特異性支架的規模化生產鋪平道路，為全球對兼容供體和/或改良植入物日益增長的需求提供一個可行的解決方案。

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文章類型:迷你回顧

引用:Brasinika D, Gkartzou E, Koumoulos E, Charitidis CA(2017)壓力輔助直接墨書寫:製備個性化生物功能支架的一種有前途的方法。納米外科3(1):doi http://dx.doi.org/10.16966/2470- 3206.121

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出版的曆史:

收到日期:2017年1月17日

接受日期:2017年2月24日

發表日期:2017年2月28日