雪の結晶にヒントを得た新しい戦略: 3Dプリントで骨を模倣した勾配足場を正確に構築

雪の結晶にヒントを得た新しい戦略: 3Dプリントで骨を模倣した勾配足場を正確に構築
出典: 調査

中国科学院深圳先進技術研究所医学研究所退化センターのRuan Changshun氏、Pan Haobo氏、ハルビン工業大学のFu Hongya氏のチームは協力し、押し出し3D印刷で「海綿骨-皮質骨」の放射状勾配を模倣する骨組織工学スキャフォールド構築戦略を提案しました。彼らはフラクタル科学をバイオニック骨スキャフォールドの設計に応用し、放射状勾配の細孔構造を実現する従来の押し出し3D印刷技術の難しさを克服しました。関連する結果は「フラクタル設計が骨を模倣した放射状勾配スキャフォールドの押し出しベース3D印刷を促進」というタイトルでResearchに掲載されました。


背景 重大な骨欠損は、整形外科が直面する主要な問題の一つであり、人々の健康と生活の質に深刻な影響を及ぼします。
成人の骨は、多孔性が高い海綿骨と、多孔性が低い緻密骨で構成されています。
最近の Science の研究論文によると、天然の骨組織にはナノスケールからマクロスケールまで少なくとも 12 段階のフラクタル組織があるそうです。
天然骨の勾配気孔構造をシミュレートするために、ボロノイ分割法、三重周期極小面(TPMS)、トポロジー最適化などのコンピュータ支援設計(CAD)手法を使用して、複雑な勾配構造を持つ骨スキャフォールドモデルを設計してきました。しかし、上記の方法で得られるスキャフォールドの製造技術は、主にデジタル光処理(DLP)、選択的レーザー溶融(SLM)、電子ビーム溶融(EBM)、ステレオリソグラフィー(SLA)であり、そのほとんどはバイオ製造に比較的不向きな3D印刷技術です。

押し出しベースの 3D 印刷は、操作が簡単、使用可能な材料の範囲が広い、セル印刷が容易などの利点があるため、広く使用されています。押し出しフィラメントの直径や分布間隔などのパラメータを調整して軸方向の勾配孔を持つスキャフォールドを設計する文献はいくつかありますが、スキャフォールドの放射状の勾配の変化に関する研究は不足しています。


研究の進捗 これを踏まえて、著者らはフラクタル理論に着想を得て、コッホ・スノーフレークの反復ルール設計に基づいてフラクタルブラケットのフラクタル曲線の単位線を定義しました。

フラクタル層は、フラクタル単位線を円形配列に配列することによって得られ、環状層は、押し出し3Dプリントスタッキングプロセス中にフラクタル層と互いに支え合うように設計されています(図1)。


図 1 バイオニック放射状勾配骨組織工学スキャフォールドの設計 さらに、放射状勾配骨組織工学スキャフォールドをパラメトリックに構築するために、「設計製造」ワークフローが構築され、スキャフォールドの多孔性、機械的特性、透過性などのパラメータの性能分析が構築されました (図 2)。


図 2 設計製造ワークフロー 研究結果によると、構築されたバイオニック放射状勾配スキャフォールドは、細孔構造、透過性、機械的特性などの点で優れた勾配特性を示しています (図 3)。


図3 押し出し成形された3Dプリントバイオニックス足場の細孔構造、機械的特性、透過性
今後の展望<br /> この論文では、押し出し 3D 印刷によるバイオニック勾配多孔質足場の構築におけるフラクタル設計戦略の実現可能性を実証しました。今後、研究チームは骨修復過程における勾配構造の生物学的機能をさらに実証し、本研究で提案されたフラクタル設計戦略の臨床組織工学骨の構築への応用を促進することを目指します。

さらに、その応用範囲は、パーソナライズされた軟骨、形成外科手術、修復など、他の生物医学工学分野にも拡大されています。

Google、バイオ、ヘルスケア

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