材料押し出し 3D プリントに基づく生体活性スマートスキャフォールドと骨組織工学への応用

出典: Regenovo

材料押し出し積層製造技術に基づくスマートスキャフォールドの 3D プリントは、低侵襲技術を使用して不規則な骨欠損を治療するための新しいソリューションを提供します。しかし、この分野の発展は、形状回復力が高く、人間の骨の特性に一致する印刷可能な形状記憶材料や機能的な生体医学的足場が不足しているために制限されています。最近、[Additive Manufacturing]は「骨組織工学のための生体活性スマートスキャフォールドの材料押し出し3Dプリント」と題する記事を公開し、生体活性スマートスキャフォールドの新しい3Dプリント方法を提案しました。構築されたスキャフォールドは、調整可能な構造、機械的特性、および形状記憶機能を備えています。

フィラメントの準備と特性評価
3D プリントフィラメントの準備プロセスでは、TPU ポリマーと PCL ポリマーをツインスクリューミキサーで混合し、ベンチトップエクストルーダーを使用して混合物をフィラメントに押し出します (図 1)。デジタルノギスを使用した直径測定と走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像を使用した検証により、熱溶解積層法 (FDM) 印刷に適した目標直径 (1.75 mm) のフィラメントを製造できることが示されました。 UC 混合物の PCL は融点が低く (58°C)、TPU は押出融点が高くなります (150 ～ 220°C)。押し出し中、適切なブレンド流動性を確保するために、ヒーター温度は TPU の処理温度範囲内に設定されました。

図1 FDM印刷技術用のUC形状記憶フィラメントを開発するための実験手順の概略図（a）とフィラメント画像（bd）。
開発されたUCフィラメントの結晶度、熱特性、混和性は、XRD、DSC、TGA、フーリエ変換赤外（FTIR）分光法によって特性評価されました（図2）。物理的に架橋された形状記憶ポリマーでは、形状固定率は主に結晶相によって決まりますが、形状回復率は非晶質相の影響を受けます。したがって、結晶相と非晶質相の共存は、ポリマー材料が形状記憶特性を発揮するための重要な要素です。 XRD の結果は、開発された UC フィラメントが半結晶特性を持っていることを示しました。 UCポリマーでは、21°と24°に2つの異なる結晶ピークが検出され、それぞれPCLポリマーの（110）および（200）結晶面の回折パターンに対応しています。さらに、押し出されたフィラメントの DSC 分析を -70 °C から 150 °C まで実行し、ガラス転移、融点、結晶化挙動などの UC ブレンドの熱特性を調査しました。 TGA 分析結果によると、開発されたフィラメントは 300°C 未満の温度で安定しており、熱劣化を起こさないことが示されています。つまり、フィラメントは 300°C 未満の印刷温度で劣化や分解を起こさずに確実に使用できることを意味します。

図2 フィラメントのXRD、DSC、TGA、フーリエ変換赤外線（FTIR）スペクトル。
UCフィラメントの印刷可能性
押し出しベースの付加製造 (AM) 技術では、3D プリントされた構造の品質は、押し出されたフィラメントの粘度とノズルから押し出された材料の量に密接に関係しています。印刷品質を確保するには、特にノズル温度と押し出し倍率 (EM) などの印刷パラメータを正確に設計する必要があります。不正確な EM レベルは、押し出し不足、押し出し過剰、寸法の不正確さなどの欠陥につながり、印刷された部品の最終的な品質と機能に影響を与える可能性があります。

UC フィラメントの印刷性は、ノズル温度と EM 値を変えながら 20 mm の長さの平行な単一ラインを印刷することによって評価されました (図 3)。実験により、ノズルの温度は、印刷された構造の押し出し性、形状の一貫性、安定性に大きな影響を与えることがわかりました。ノズル温度が 190°C になると、非粘着層に大きな問題が発生し、印刷品質が低下します。ノズル温度を上げると、材料の溶融および流動特性が向上しますが、過度に高い温度 (例: 220°C) と高い EM レベルが組み合わさると、過剰押し出しや材料の蓄積につながる可能性があります。 210°C で印刷されたサンプル (EM 値 0.9 および 1) と 200°C で印刷されたサンプル (EM 値 1) は両方とも良好な品質を示しました。これらの条件下で印刷された線柱の直径に大きな違いがないことは注目に値します。さらに、EM=1 を 200°C および 210°C で維持すると最良の結果が得られ、高品質のラインが生成されました。したがって、最適なノズル温度は 210 °C と決定され、最適な押し出し乗数レベルは EM 値 1 と決定されました。 SEM 画像により、これらの最適化された条件下で押し出されたストラットの高品質がさらに確認されました。

図 3 FDM 印刷された UC フィラメントを平行に整列した単一の線に光学顕微鏡画像。
ステント製造
組織工学において、スキャフォールドの構造とアーキテクチャは、その機能性、機械的特性、およびヘルスケアへの応用を決定する上で非常に重要です。スキャフォールドの微細構造（細孔サイズ、形状、分布、相互接続性など）をSEM技術を使用して検査しました（図4）。 SEM 画像では、直線状、三角形、螺旋状の多孔質構造が明らかになり、すべてのスキャフォールドは均一で相互接続された孔分布と優れた構造的完全性を示しました。充填率が増加すると、FDM 印刷されたスキャフォールドの細孔サイズが減少し、構造が密になります。対照的に、充填率が低いと、密度の低い構造になり、気孔サイズが大きくなります。しかし、異なるパターンを使用した同じ充填密度のスキャフォールド間では、細孔サイズに有意な差はありませんでした。

十分に高い多孔性と適切な孔サイズは、スキャフォールド内での細胞の増殖、分化、組織の成長に不可欠です。骨の成長に最適な孔サイズについては議論の余地がありますが、孔サイズが 500 ～ 1200 µm のスキャフォールドは優れた骨誘導特性を示すことが実証されています。充填密度が 30%、40%、50% のすべての設計パターンのスキャフォールドによって生成された気孔サイズはこの範囲内でしたが、充填密度が 20% のスキャフォールドの気孔サイズはより大きく、骨形成効果が低下する可能性があります。したがって、骨再生を効果的に促進するには、より高い充填密度を持つスキャフォールドの細孔サイズ範囲（500～1160 µm）がより適しています。

図4 異なる充填密度と充填パターンを持つスキャフォールドのマクロ的な表面構造と細孔サイズ。
UCスキャフォールドの機械的特性
スキャフォールドの機械的強度は組織の成長と再生をサポートするために重要であり、FDM 印刷プロセスで使用されるフィラメントの組成、充填パターン、充填密度はスキャフォールドの機械的特性に大きな影響を与えます。すべての UC スキャフォールドの主な破損メカニズムは座屈であり、これは TPU の割合が高いことに起因します。高弾性材料である TPU は圧縮力の作用下で大きく変形し、脆性破壊ではなく座屈を引き起こします (図 5)。 XRD の結果から、UC フィラメントは半結晶構造を持ち、PCL と TPU が融合して全体的な結晶性が低下し、弾性が向上したことが示されました。 TPU の高い弾性と復元力により、スキャフォールドは破損することなく大幅に変形することができ、この材料が骨組織工学の用途に適していることを示しています。すべてのステント設計において、充填密度が高いほど弾力性が高まり、圧縮を受けたときのステントの耐性が高まります。異なる充填パターンを持つスキャフォールドの中で、らせんパターンのスキャフォールドは優れた機械的特性を示しました。

図 5 異なるパターン設計と充填密度を持つ UC 3D プリントスキャフォールドの応力-ひずみおよび圧縮係数。
FDMプリントされた足場の形状記憶特性
形状記憶試験の結果を図6に示します。形状記憶挙動は、PCL の結晶ドメインと TPU の非晶質相間の相互作用によって制御されます。 TPU 相の弾力性と柔軟性は、形状回復にとって非常に重要です。 PCL 結晶ドメインは変形時にアンカーとして機能し、TPU マトリックスは弾性エネルギーを蓄え、スキャフォールドが元の形状を回復するように促します。 XRD および DSC 分析により、PCL の結晶ピークと TPU の添加による結晶度の低下が確認されました。形状記憶特性は、パッキング密度とスキャフォールド構造を調整して機械的安定性と回復効率のバランスを最適化することで最適化できます。充填パターンと密度は、スキャフォールドの回復能力において重要な役割を果たします。同じ充填密度では、螺旋パターンの形状安定性は直線パターンよりも低く、次に三角形パターンが続きます。熱機械試験では、充填密度が増加すると遷移温度が低下し、高密度のスキャフォールドは機械的強度が向上し、遷移温度回復効率が低くなることが示されました。これは、低侵襲医療用途にとって非常に重要です。

図6 熱機械試験中のスキャフォールドの応力-ひずみ曲線とひずみ-温度曲線、形状固定率、回復率。
スキャフォールドの濡れ性と細胞適合性
この研究では、3D プリントされた UC スキャフォールドの濡れ性と細胞適合性に対するポリドーパミン (PDA) コーティングの効果を調査しました。 PDA コーティングにより、スキャフォールドの親水性が大幅に向上しました。 SEM の結果は、PDA コーティングされたスキャフォールド上の MG-63 細胞がより優れた拡散を示したことを示しました。 MTS アッセイの結果、PDA コーティングされたスキャフォールドは細胞増殖を著しく促進し、PDA コーティングされたスキャフォールド上に形成された石灰化結節の数はコーティングされていないスキャフォールド上よりも多く、骨芽細胞の分化に有益であることが示されました。さらに、EDS 元素マッピングにより、PDA コーティングされたスキャフォールドの表面に、より高い元素密度で CaP バイオミネラル化層がうまく形成されたことが示されました。形状記憶テストにより、PDA コーティングがステントの形状記憶特性を損なわないことが確認されました。したがって、PDA コーティングされたスキャフォールドは、形状記憶機能と強化された生体活性を組み合わせ、骨組織工学に適した環境を提供します。

図 7 未処理および PDA 処理した UC スキャフォールドの細胞形態、X 線スペクトル、および形状記憶特性。
結論は
この研究では、調整可能な構造、機械的特性、形状記憶特性を備えた多孔質スキャフォールドの FDM 4D 印刷用に、70% TPU と 30% PCL でできた半結晶形状記憶フィラメントを開発しました。この研究では、FDM 印刷パラメータがスキャフォールドの形態、機械的特性、および形状記憶特性に与える影響を評価しました。 SEM イメージングにより、スキャフォールドの細孔分布は均一であり、充填密度が 30% を超えるスキャフォールドは骨再生に適していることが示されました。機械試験の結果、らせん状のパターンを持つスキャフォールドが最も高い機械的特性を示すことが示されました。すべてのスキャフォールドの最大圧縮強度は、1.73 ～ 14.93 MPa の範囲で、天然の海綿骨の強度に匹敵しました。熱機械サイクル試験では、充填パターンと密度が形状記憶性能に重要な影響を与えることが示されており、螺旋、直線、三角形のパターンは、遷移温度 52°C でそれぞれ 98%、91.1%、89.5% の形状回復率を示します。ポリドーパミンコーティングは形状記憶特性には影響しませんでしたが、スキャフォールドの親水性と細胞増殖を改善しました。全体として、この研究は、調整可能な機械的強度を備えた多孔質形状記憶スキャフォールドを設計するための新しい方向性を示しており、その形状記憶特性は骨欠損の再生治療に応用できる可能性があります。

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