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可植入的生物医学组织工程支架（TES）在临床中的使用正迅速增长。通常，TES被设计用于在再生医学中执行关键功能，包括提供机械支持、输送治疗分子和创建保护屏障。目前，已在临床上批准用于这些目的的TES包括可降解聚合物疝气修补片和半月板替代品等设备。随着TES在临床上得到认可，当前趋势是将这些工具用于个性化医学。这在骨科设备方面得到了最成功的证明，这些设备可以根据需要进行3D打印，通常可以在治疗点进行，用于修复创伤后的骨结构。主要使用聚己内酯（PCL）作为骨科TES的材料，因为它具有生物相容性、机械强度高以及中等降解速率（3-4年）。在3D打印个性化TES的临床前研究中，通常使用熔融丝制造（FFF）进行设备生产，因为FFF具有易于获取、低成本且可以用于PCL的3D打印。然而，尽管PCL与FFF打印兼容，但文献中提供的打印参数有限，不足以充分考虑模型的几何特征。
来自美国密歇根州立大学的Erik M. Shapiro团队开发并应用了一种放射性不透明的氧化铋（Bi2O3）掺杂聚己内酯（PCL）复合材料，以实现使用诊断性X射线技术，特别是光子计数X射线计算机断层扫描（SPCCT）对全面的组织工程支架（TES）进行监测。首先制备具有均匀分散的Bi2O3纳米颗粒（0.8至11.7 wt%）的PCL丝。然后使用复合丝进行3D打印TES，并优化打印参数以适应小特征和严重悬挑几何形状。通过微型计算机断层扫描（µCT）、拉伸测试和细胞相容性研究对这些复合TES进行表征，其中2 wt%的Bi2O3纳米颗粒提供了改善的拉伸性能，与纯PCL相当的细胞相容性和出色的放射学可区分性。通过在小鼠模型中使用µCT对掺杂有4和7 wt%的Bi2O3 PCL TES进行成像，在体内与体外测量结果显示出良好的一致性，从而验证了放射学性能。随后，使用复合丝进行3D打印CT图像导出的猪半月板，并在相应的离体猪腿中重新植入。通过临床CT对离体猪腿进行再成像，可以轻松确定设备位置和对齐。最后，SPCCT这一新兴技术通过颜色K边成像明确地在体内区分植入的半月板。相关工作以题为“Device Design and Advanced Computed Tomography of 3D Printed Radiopaque Composite Scaffolds and Meniscus”的文章发表在2024年05月17日的国际著名期刊《Advanced Functional Materials》。
1.创新型研究内容
本研究将个性化TES与先进的临床监测概念相结合，采用SPCCT实现设备成像辨识和监测的突破。为了实现这一目标，将Bi2O3纳米颗粒与PCL混合，并挤出成丝材料用于FFF，从而实现高度放射性不透明的TES的制造。低Bi2O3纳米颗粒质量分数的3D打印支架具有良好的生物相容性，临床尺寸的设备在成像上表现出优异的放射性，其对比噪声比能够使其在原位与周围组织明显区分开来。为了说明在植入后监测个性化TES的最终目标，本文借鉴了最近关于制造基于PCL的半月板的工作，以及商业上可获得的PCL半月板替代品的情况。首先，通过猪腿的CT扫描得出真实半月板的3D模型，使用4 wt%的Bi2O3丝材料3D打印出放射性类似的半月板TES。在膝关节植入后，CT成像可以精确区分半月板的位置。对猪腿进行SPCCT成像进一步增强了分割，并实现了含铋体素的区分。
【均匀的放射性不透明丝材料】
原位和体内监测要求TES在整个结构中具有均匀的放射性不透明性，确保观察到的任何可检测到的结构变化都是设备的物理变化结果。为创建用于3D打印的放射性不透明丝材料，将Bi2O3纳米颗粒（216±37 nm，图1b、c）与Facilan PCL 100丝材料按名义质量分数0.5-15wt%（图1a）混合。电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）显示，制备的丝材料中Bi2O3的实际含量为0.2至11.7wt%。这种轻微偏差与其他研究中观察到的情况相似，可能是由于混合过程造成的。通过扫描电子显微镜的背散射成像验证了制备的丝材料中纳米颗粒的均匀性。由于Bi2O3纳米颗粒的质量分数与X射线衰减呈线性相关关系，制备均匀的丝材料直接影响TES的放射性不透明性以及植入后的监测。在将丝材料用于3D打印之前，必须验证纳米颗粒在丝材料中的分布情况。在图1d中可以看到，最初的丝材料在横截面上具有不均匀的纳米颗粒分布。当形成了这种壳层结构的丝材料（图1a.4）后，在随后的打印过程中仍然保持不变。为了消除批次之间的不均匀性，每个批次的丝材料至少经过最终挤出工艺（图1a.4）两次。
图1 通过聚己内酯（PCL）和氧化铋（Bi2O3）纳米颗粒（NPs）的复合材料制备了均匀的放射性不透明丝
【优化使用PCL进行3D打印TES的过程】
PCL是一种对医疗器械具有许多理想特性的生物相容性聚合物。虽然它适用于FFF打印，但文献中提供的打印参数有限。材料性质，如熔点和热传导，是以高分辨率打印TES的重要因素。PCL不仅由于与其他聚酯相比较低的熔点而难以打印，还必须考虑到添加纳米颗粒后熔融特性的变化。使用PCL丝进行的初始3D打印显示，沉积的珠状物散热不足导致特征不稳定和打印失败。为了解纯PCL和复合丝的熔融和固化特性，使用差示扫描量热法（DSC）。发现纯PCL（0 wt% Bi2O3）的结晶温度（Tc）为29℃，非常接近室温（图2a）。添加Bi2O3纳米颗粒提高了所有复合材料的Tc，从质量分数从0.8 wt%增加到11.7 wt%，范围为33℃至35℃。相比之下，复合材料和纯PCL的熔融温度均与已发表的文献值60℃一致。
为了解决最不利情况下（最低Tc）的3D打印问题，本文选择了纯PCL丝进行3D打印优化，并使用标准的Benchy 3D模型进行测试（图2b-e）。在测试过程中，鉴于珠状物的长时间固化，确定了两种非常难以进行3D打印的情况：不受支撑的悬挑部分（<55°与水平面夹角），以及打印时间较短的层（<60秒）。喷嘴直径和温度在所有情况下保持不变，而打印移动的速度、环境温度和使用支撑物对其他情况的成功至关重要。针对特定喷嘴温度的打印移动速度优化取自Ortega等人的研究结果。此外，在冷房间（环境温度为4℃）中进行打印时，增加床温可以提高零件与打印床的粘附性。进一步增加床温会导致底部打印变形。
图2 聚己内酯（PCL）打印的优化依赖于热通量的控制
【放射性透明的TES的抗拉性能】
本文采用机械测试方法来研究Bi2O3质量百分比对打印的TES的抗拉性能的影响。用于评估打印后TES性能的参考抗拉样品如图3c（测试前）和d（测试后）所示。抗拉样品的设计代表具有40%直线填充的TES结构。抗拉样品通常在夹持处附近破坏，尽管有些样品在中心附近破坏（图3d）。统计学上显著增加了表观屈服应力和表观弹性模量对于低质量百分比复合材料（≤2 wt%）。性能的最大增加出现在0.8 wt% Bi2O3（表观屈服应力=961±28 kPa，表观弹性模量=1.86±0.005 kPa），分别比纯PCL增加了32%和55%（图3a）。与纯PCL相比，任何复合材料都没有改变屈服应变。
图3 添加放射性不透明的氧化铋（Bi2O3）纳米颗粒和熔融加工会影响聚己内酯（PCL）丝的拉伸性能
【放射性透明复合材料的生物相容性】
本文通过进行为期7天的研究评估了Bi2O3组成对成纤维细胞的附着、生长和代谢活性的初始影响（图4）。当3T3成纤维细胞在3D打印支架上（0-11.7 wt%）培养7天时，细胞在所有基质上都有增殖。初始细胞附着在0 wt% Bi2O3时最低（16.8±13%），在0.8 wt%时最高（54.1±23%）。初始细胞种植的高偏差可能是由于将细胞种植到高多孔性的3D结构上的困难所致。在第7天，细胞数量在不同NP组成方面没有显著变化。纯PCL（0 wt%）显示了最大的细胞增殖，可能是由于初始细胞种植量较低。代谢活性的结果类似，随着细胞增殖，从第1天到第7天有显著增加。尽管在早期时间点，2 wt%和6 wt%的复合材料的代谢活性较纯PCL降低，但随着Bi2O3质量百分比的增加，并没有明显的代谢减少趋势。总体而言，这些结果表明，在最大测试的11.7 wt% Bi2O3负载下，对早期细胞增殖几乎没有影响。
图4 在培养过程中， Bi2O3纳米颗粒和PCL的复合材料在7天内表现出了优异的生物相容性
【放射性透明复合材料的X射线衰减性能】
确定最佳Bi2O3含量范围的第三个条件是能够监测复合材料的X射线透射性能。为此，通过在模拟组织的水环境中使用微CT成像来量化丝材的X射线强度，本文表征了Bi2O3质量分数与放射性的关系。发现增加Bi2O3与信号强度呈直接比例关系，比例为269 HU/wt%（图5a）。这比Arnold等人的研究发现更高，他们报告了3D打印结构的放射性随Bi2O3质量分数增加的比例为196 HU/wt%。然而，Arnold等人使用的扫描能量为120 keV，而本研究使用的是90 keV能量，这是临床前体内CT的标准扫描能量。随着X射线扫描能量的增加，材料的X射线衰减通常会减小，除非在材料特定的衰减峰值（称为K边）附近。Bismuth的K边缘能量为91 keV，扫描能量接近这个峰值可以解释本研究中报告的较高衰减率。
为了验证在体外计算得出的衰减与体内研究的相关性，将含有4.2和7 wt% Bi2O3纳米颗粒的TES植入到小鼠模型中进行离体成像（图5c-e）。TES与周围的肌肉和软组织明显区分开来，并且其信号范围与小鼠骨骼相同。为了使体外和体内扫描之间能够进行比较，将放射性透明复合材料的信号转换为对比噪声比（CNR）。将原始信号转换为CNR是有用的，因为它考虑了周围组织的信号以及TES的信号。
图5 使用µCT，在体外水环境和离体小鼠模型中测量了丝材料的放射性
【具有SPCCT放射性透明TES的临床潜力】
基于与人类半月板相似的尺度，本文选择了离体猪半月板进行演示。为了制作半月板TES，将死后的猪腿进行临床CT扫描。提取了内侧半月板，并将其转换为“特定患者”的STL模型。图6a，b显示了一个这样的猪腿模型和相应的半月板重建。然后，通过手术提取半月板，准备将3D打印的半月板植入到猪腿中。两个半月板经过3D打印后重新植入到它们原本衍生的腿部。一个半月板被以良好的对齐方式植入，另一个则以错误的方向植入。图6d和e展示了通过临床CT轻松识别复合TES以及相应的对齐/错位情况。在临床中，对半月板再撕裂或植入物失效的不良事件很难进行诊断。使用MRI进行诊断很困难，通常结果不确定，因为瘢痕组织和更高的血管化导致了高强度的T1和T2信号变化，因此需要侵入性手术技术。本文展示了如何利用放射性透明植入物的非侵入性CT进行增强诊断。
图6 在离体猪模型中展示了利用放射性不透明的组织工程支架（PCL + 4wt% Bi2O3）进行个性化医学的潜力
2.总结与展望
朝着个性化医学领域的点对点制造生物医学植入物的发展趋势是3D打印生物医学器件的关键推动力。理想情况下，这些器件还应具备通过临床成像模式（如CT）进行现场监测的能力。本文通过制备和3D打印放射性不透明的PCL丝材料并掺入Bi2O3纳米颗粒，向实现这一目标迈出了重要的一步。在这个过程中，还提出了一种针对PCL和复合材料低重结晶温度的PCL TES（组织工程支架）的FFF 3D打印优化方法。所有的纳米颗粒复合材料具有良好的力学性能和生物相容性。通过微型计算机断层扫描（µCT）成像显示，每增加1 wt%的Bi2O3， CNR增加4.1。在超过2.2 wt%的Bi2O3含量下，复合材料在放射学上能够与软组织区分开来，其CNR值与小鼠骨骼范围相当。
此外，放射性不透明的3D打印TES在离体骨科应用中展示了临床潜力。用放射性不透明的复合材料3D打印出具有解剖准确性的猪半月板，一旦植入，可以轻松识别设备对齐，而纳米颗粒的质量分数较低（4 wt%的Bi2O3）。这些复合TES不仅可以通过传统CT进行区分，而且还非常适合通过颜色K边缘成像的新兴临床成像模式SPCCT。通过SPCCT成像后，根据铋的独特X射线衰减特性，可以将放射性不透明的TES从生物结构中分割出来。所有这些结果表明，在3D打印的复合TES中，以低质量分数（1至5.5 wt%）使用Bi2O3纳米颗粒作为放射性添加剂具有出色的性能，可用于纵向监测临床前和临床设备。
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