Биография, напечатанная на 3D/4D-принтере

19 июля 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

корректура

Международного журнала экстремального производства

Пьезоэлектричество признано ключевым фактором регенерации кости. Однако современные каркасы, изготовленные аддитивным способом, в основном сосредоточены на реконструкции бионической топологической структуры и механического микроокружения, в то время как решающее электрическое микроокружение (ЭМ) в регенерации кости игнорируется.

Исследование, опубликованное в International Journal of Extreme Manufacturing, показывает огромный потенциал 3D/4D-печати биопьезоэлектрических каркасов для инженерии костной ткани следующего поколения.

Существует значительный разрыв между возможностями современных методов 3D/4D-печати и требованиями клинического применения биопьезоэлектрических каркасов. Его разработка требует совместных усилий междисциплинарных исследований, включая материаловедение, машиностроение и биоинженерию. Его широкое внедрение должно также черпать вдохновение из некоторых передовых технологий, таких как интеллектуальное производство, бионическая медицина и машинное обучение.

«В принципе, это открывает возможности для разработки и изготовления умного биологического пьезоэлектрического каркаса, который способствует восстановлению костей, имитируя важнейшее электрическое микроокружение ткани», — сказал Аннан Чен, научный сотрудник Городского университета Гонконга и первый автор исследования. .

«По сути, это предлагает новое понимание потенциального прорыва в создании умных каркасов для инженерии костной ткани следующего поколения», — сказали профессор Чунцэ Ян, профессор Хуачжунского научно-технологического университета, и профессор Цзянь Лу, профессор кафедры Городской университет Гонконга.

Это пьезоэлектричество было продемонстрировано на костях человека, которые генерируют положительные и отрицательные заряды при сжатии или растяжении. Например, большеберцовая кость человека может генерировать пьезоэлектрический потенциал ~300 мкВ во время ходьбы. Таким образом, пьезоэлектрические материалы демонстрируют уникальные преимущества при моделировании ЭМ костных тканей, что может существенно способствовать метаболизму клеток и образованию новой кости.

Поверхностные заряды пьезоэлектрических материалов могут притягивать ионы, способствуя адгезии клеток посредством взаимодействия ионов или зарядов, а также активировать экспрессию факторов роста для улучшения пролиферации клеток и остеогенной дифференцировки.

Биопьезоэлектрические каркасы, изготовленные с помощью аддитивных технологий, могут реконструировать ЭМ желаемой ткани посредством неинвазивной ультразвуковой стимуляции. Это зависящее от времени поведение 3D-структур, меняющее функциональность при воздействии внешнего стимула, также определяется как четырехмерная (4D) печать. Эти новые 4D биопьезоэлектрические каркасы, изменяющие функциональность, могут обеспечить зависящую от времени программируемую электрофизиологическую микросреду в ответ на внешние стимулы для регенерации тканей.

Чен начал экспериментировать с некоторыми бессвинцовыми биологическими пьезоэлектрическими материалами, которые были открыты много лет назад, но по большей части игнорировались. Он сосредоточился на объединенной 3D/4D-печати биопьезоэлектрических материалов для передовых биологических приложений.

К удивлению ученых, биопьезоэлектрические материалы показали превосходную технологичность и биосовместимость. Более того, они были многоклеточными, индуцируемыми. «Мы обнаружили, что их электрическое микроокружение может индуцировать дифференцировку костных клеток, способствовать рекрутированию сосудистых клеток и восстановлению нервных клеток», — сказал Чен. Это показывает большой потенциал для клинического применения.