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3D-gedrucktes Mayenit-Verbundgerüst

Die dreidimensionale (3D) Drucktechnologie hat im Bereich der Knochentechnik große Aufmerksamkeit erregt, da sie die Herstellung komplexer Strukturen mit anpassbaren Formen, inneren und äußeren Strukturen, mechanischer Festigkeit und biologischer Aktivität präzise steuern kann. In dieser Studie entwarfen die Forscher ein neues Komposit-Biomaterial aus Polymilchsäure (PLA) und Kaolin-Nanoröhren (HNTs) mit Zink-Nanopartikeln (PLA+H+Zn).

Auf der Oberfläche des hydrophoben 3D-gedruckten Stents wurden auf beiden Seiten zwei Schichten fetales Rinderserum (FBS) und in der Mitte eine Schicht Natriumhydroxid aufgetragen. Tragen Sie eine Schicht Gentamicin auf die äußerste Schicht auf, um eine bakterielle Infektion zu verhindern. Das Gerüst wird in Standard-Zellkulturmedium ohne Zugabe von osteogenem Kulturmedium kultiviert. Diese Strategie der Oberflächenmodifikation verbessert die Hydrophilie des Materials und verbessert die Adhäsion von Zellen. Die auf diesen Gerüsten kultivierten Prä-Osteoblasten differenzieren sich zu Osteoblasten, die wiederum eine Typ-I-Kollagenmatrix und anschließende Calciumablagerung produzieren.

3D-gedrucktes Mayenit-Verbundgerüst

Das durch die Zusammensetzung gebildete 3D-gedruckte Gerüst weist eine hohe mechanische Festigkeit auf und hat das Potenzial, die Knochenbildung zu induzieren. Darüber hinaus behält die äußere Beschichtung aus Antibiotika nicht nur die knochenbildenden Eigenschaften des 3D-Gerüsts, sondern reduziert auch das Bakterienwachstum deutlich. Das Oberflächenmodifikationsmodell des Forschers macht die Präparation der Materialoberfläche hydrophil und antibakteriell sowie osteogen.

Laut der National Mobile Health Care Survey und dem Bericht der American Academy of Orthopaedic Surgeons beantragen jedes Jahr etwa 6.8 Millionen Patienten eine medizinische Behandlung wegen orthopädischer Probleme, und jedes Jahr werden mehr als 2 Millionen Knochentransplantationen durchgeführt. Autologe Knochentransplantate gelten aufgrund ihrer hervorragenden Leistung bei der Knochenleitung, Osteoinduktion und Knochenbildung als der Goldstandard für die Knochenreparatur. Die Autotransplantation hat jedoch viele Einschränkungen. Dazu gehören die begrenzte Verfügbarkeit, die Notwendigkeit chirurgischer Schnitte, um das Transplantat zu erhalten, was zusätzliche Risiken für Hämatome, Infektionen und zusätzliche Schmerzen mit sich bringt. Allogene Knochentransplantate sind eine weitere Quelle der orthopädischen Transplantation. Fast ein Drittel aller in Nordamerika verwendeten Knochentransplantate sind allogene Knochentransplantate. Allogener Knochen hat jedoch eine osteokonduktive Wirkung, aber seine osteoinduktive Fähigkeit ist reduziert, was das Risiko einer Frakturreparatur Pseudarthrose erhöht und es besteht das Risiko einer Infektion. Darüber hinaus ist die Versorgung mit Allotransplantaten auch durch den langen Vorbehandlungsprozess begrenzt. Aus den oben genannten Gründen benötigen Forscher dringend eine neue Methode der biotechnologischen Knochentransplantation mit guten mechanischen Eigenschaften, Knochenleitfähigkeit und osteogenen Fähigkeiten.

Knochenimplantate können durch eine Vielzahl von Verfahren hergestellt werden, einschließlich Salztauchen, chemisches/Gas-Schäumen, Gefriertrocknen und Sintern. Diese Verfahren können jedoch die Porengröße, Porenverteilung, Porosität und Konnektivität zwischen Poren nicht genau steuern. Knochen ist ein poröses Gewebe mit vielen miteinander verbundenen Poren, die die Zellmigration und -proliferation sowie die Vaskularisierung ermöglichen. Daher sollte das osteogene Gerüst die Form, Struktur und Funktion des Knochens nachahmen, um seine Verschmelzung mit natürlichem Gewebe sicherzustellen. Der dreidimensionalen Drucktechnologie wurde im Bereich der Geweberegeneration große Aufmerksamkeit geschenkt, da sie komplexe Strukturen mit maßgeschneiderten Formen, internen und externen Strukturen, vorgefertigten Mikrostrukturen, mechanischer Festigkeit und biologischer Aktivität herstellen und natürliches Gewebe effektiv simulieren kann. Durch die Verwendung von osteogenen Biomaterialien und computergestütztem Design kann die 3D-Drucktechnologie maßgeschneiderte Strukturen mit den gewünschten Eigenschaften erzeugen und so die Osseointegration und die Wiederherstellung der Gewebefunktion verbessern.

Hier verwendeten die Forscher Halloysit wegen seiner bekannten Fähigkeit, die Eigenschaften von Polymermaterialien zu verbessern und kontinuierlich bioaktive Wirkstoffe freizusetzen. HNT ist mit Zink-Nanopartikeln beladen. Zink ist eines der essentiellen Mineralstoffe, das eine wichtige Rolle für die Knochengesundheit spielt. Es beeinflusst die Aktivität einer Vielzahl von Enzymen, die Kollagensynthese und die DNA-Synthese und stimuliert nachweislich den Knochenstoffwechsel. Zinkoxid-Nanopartikel haben auch bekannte und wirksame Mittel, die bakterielle Zellmembranen auflösen und sich im Zytoplasma anreichern, was zum apoptotischen Zelltod führt. Daher wurde Zink als Beschichtung von HNT gewählt und anschließend mit PLA für den 3D-Druck gemischt. Fetales Rinderserum (FBS) und NaOH werden verwendet, um die Oberflächenhydrophilie von 3D-gedruckten Stents zu verbessern. Die mechanischen Eigenschaften und die Zell-Material-Interaktion des Gerüsts wurden untersucht. Die Forscher beschichteten den 3D-gedruckten Stent auch mit dem Antibiotikum Gentamicin, um eine Kontamination zu verhindern, und bewerteten die Wirksamkeit des Medikaments nach drei Wochen. Diese Forschung zielt darauf ab, 3D-gedruckte Gerüste herzustellen, um die Knochenregeneration zu unterstützen und eine bakterielle Kontamination zu verhindern, die bei der klinischen Behandlung von Knochendefekten verwendet werden können.

HNTs

Nano-Zink (NPs) wird auf der Oberfläche von HNT durch thermische Zersetzung von Metallacetat abgeschieden, wie in Abbildung 1 gezeigt. Zinkoxid (ZnO) reagiert mit Essigsäure bei 50 °C, Rühren wird fortgesetzt und dann die Mischung wird zum Sieden erhitzt, wobei Essigsäure zugegeben wird und die Reaktion 12 h dauert. Das erhaltene Zinkacetat (Zn (OAc) 2) wurde unter Verwendung von Whatman #1 Filterpapier filtriert. Dann wurden 20 g Zink (OAc) 2 und 10 g HNTs in 50 ml entionisiertem Wasser 12 h gerührt. Nach der Zentrifugation wurden die Partikel gesammelt und 350 h auf 2 °C erhitzt, was zur thermischen Zersetzung von Metallacetat auf der Oberfläche von HNTs (ZnO-HNTs) führte.

3D Druck

Verwenden Sie den ENDER 3-Drucker zum 3D-Drucken aller Filamenttypen in eine vorgefertigte Struktur (quadratisch) bei einer Temperatur von 225°C. Das quadratische Design beträgt 6 × 6 × 2 mm, die Öffnung beträgt 0.6 mm und der Durchmesser des Innengitters beträgt 0.6 mm.

Porosität

Die Porosität der dreidimensional bedruckten Scheibe wurde nach dem Flüssigkeitsverdrängungsverfahren berechnet. Ein 3D-Quadrat wird in 1.0 ml (V1) entionisiertes Wasser getaucht, und dann tritt die Flüssigkeit durch eine Reihe von Wirbeln und Schallwellen in die Poren ein. Messen Sie das Gesamtvolumen der Quadratsumme VE-Wasser (V2), messen Sie nach dem Entfernen des Wassers das verbleibende Volumen der Quadratsumme VE-Wasser (V3).

Kompressionstest

Ein Einzelskalen-Unit-Test-Gerät in Waterloo, Ontario, Kanada, wurde verwendet, um Kompressionstests am gedruckten Gitter durchzuführen. Eine 200-n-Wägezelle wurde verwendet, um das 3D-gedruckte Quadrat mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/min zu komprimieren. Die Dehnungs- und Spannungsverteilungsdiagramme werden aufgezeichnet. Testen Sie jede Zutat mindestens dreimal.

3D gedrucktes Quadrat Oberflächenbehandlung

Nach früheren Untersuchungen (ergänzende Informationen) kann das Aufbringen einer Zwischenschichtbeschichtung auf ein 3D-gedrucktes Quadrat die Oberflächenhydrophilie erheblich verbessern und die Zelladhäsion fördern. Daher haben die Forscher eine dreischichtige Beschichtung auf die 3D-gedruckte Scheibe aufgebracht. Vor dem Beschichten wurde jede Scheibe 75 Minuten in 10% Isopropanol getränkt und in einer Zellkulturhaube luftgetrocknet. In der ersten Schicht wurde jedes Quadrat 24 Stunden lang in fötalem Rinderserum (FBS) eingeweicht; jedes Quadrat wurde 10 Minuten in 30 n NaOH getränkt und dreimal mit sterilem entionisiertem Wasser gewaschen; in der letzten Schicht wurden die Quadrate erneut für 3 Stunden in fötalem Rinderserum inkubiert. Das Quadrat mit drei Schichten Sandwichbeschichtung ist als FBS + NaOH + FBS gekennzeichnet.

Verteilung von HNTs und Zink-Nanopartikeln in Polylactid-Garn

Mischen Sie PLA mit HNTs oder galvanisierten HNTs (HNTs/Zn), um Filamente zum Drucken von PLA+HNTs und PLA+HNTs/Zn-Quadraten herzustellen. Um zu bestimmen, ob HNTs oder HNTs/Zn in der PLA verteilt sind, wurde der Filamentquerschnitt durch EDS analysiert. Das Hauptelement der Polymilchsäure ist Kohlenstoff (C), der auf dem Bildschirm angezeigt wird. Silizium (Si) und Aluminium (Al) sind die beiden Hauptelemente von HNTs. Aus der Abbildung ist zu erkennen, dass sie im PLA-Filament gut verteilt sind. Das Nano-Zink wurde in HNTs mit 30 % Gew./Gew. beschichtet und seine Verteilung wurde durch EDS nachgewiesen. Die EDS-Analyse zeigte, dass HNTs und HNTs/Zn gleichmäßig verteilt waren.

Die Form- und Oberflächeneigenschaften von 3D-gedruckten Blöcken

Alle Filamente werden in ein vorgefertigtes Quadrat gedruckt, mit einer Öffnung von 600 mx600 m und einer Schichthöhe von 600 m. Aufgrund der Limitierung des verwendeten 3D-Druckers ändert sich die Auflösung beim Drucken leicht. Ein konfokales Lasermikroskop wurde verwendet, um die genaue Apertur zu bestimmen. Durch Messung von 60 Löchern von 20 verschiedenen Gerüsten beträgt der durchschnittliche Porendurchmesser des gedruckten Gerüsts 584.16 ± 95.28 (m) × 620.39 ± 93.03 (m) und die Porosität beträgt 60.22 ± 9.5%.

Druckfestigkeit

Um den Beitrag von HNTs zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von PLA im gedruckten Quadrat zu bewerten, analysierten die Forscher die Druckfestigkeit des 3D-gedruckten Stents, unabhängig davon, ob HNTs hinzugefügt wurden. Der Stent hat ein höheres Dehnungsverhältnis mit HNTs (PLA + H und PLA + H + Zink) und einen höheren durchschnittlichen Kompressionsmodul als das Quadrat ohne HNTs (PLA), was darauf hindeutet, dass die Zugabe von HNTs nur eine geringfügige, aber nicht signifikante Erhöhung der die Elastizität und Elastizität des PLA. Druckfestigkeit (Abbildung 6). Aufgrund der Beschränkung der Testausrüstung gibt es nach dem Bruch des Stents keine maximale aufgebrachte Kraft (200 N). Daher können Forscher keine vollständigen komprimierten Daten erhalten. Den aktuellen Daten nach zu urteilen, hat PLA die Tendenz, die Kompressionsleistung von PLA+H+Zn zu verbessern, aber die Verbesserung ist nicht offensichtlich.

abschließend

In dieser Studie besteht das 3D-gedruckte Quadrat aus PLA und Zink-dotiertem HNT, das als potenzielle Anwendung für Knochenimplantate verwendet werden kann. Die Porosität dieses Materials ähnelt der von menschlichem Knochengewebe. Die einzigartige FBS+NaOH+FBS-Sandwichbeschichtung wird auf das gedruckte Gitter aufgetragen, um die Hydrophilie zu verbessern und die Zelladhäsion und den Stoffwechsel zu fördern. Ohne die Zugabe von exogenen osteogenen Mitteln kann das Sandwich-beschichtete PLA-Quadrat auch Osteoblasten zur Differenzierung in Osteoblasten induzieren. Darüber hinaus reduziert die äußere Beschichtung aus Gentamicin das Infektionsrisiko, ohne die Knochenbildung negativ zu beeinflussen. Der neu entwickelte Verbundwerkstoff PLA+H+Zn weist zudem eine gute mechanische Festigkeit und osteoinduktive Fähigkeit auf und kann als Materialkandidat für den 3D-Druck von Knochenimplantaten verwendet werden. Darüber hinaus kann die in dieser Studie verwendete Oberflächenmodifikationsstrategie auch für andere 3D-Druckanwendungen verwendet werden.

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