Advanced Science:诺丁汉研究人员开发复合材料细菌生物膜抗性人体植入物3D打印技术

3D打印科研前沿
2021
06/16
11:54
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导读:随着对疾病认识的加深,针对个体的个性化治疗需求也在增加。然而,大多数批量生产的医疗设备无法完全满足患者复杂的需求,单一材料3D打印方法也存在设计限制,无法生产具有多种生物或机械功能的定制设备。

针对这一问题,诺丁汉大学研究人员采用多材料喷墨3D打印(MM-IJ3DP)和遗传算法(GA),通过设计每个体素中不同墨水的比例,使打印产品表现出所需的性能,例如模量、透明度等。团队开发两种可抑制聚合后生物膜的形成,同时具有非常不同的弹性模量的功能性墨水,结合MM-IJ3DP打印复合结构。

遵循该方法的示意图来开发、3D 打印和表征定制的生物膜抑制装置。.jpg
△ 3D打印和表征定制生物膜抑制装置。a) 现有数据库中四种单体获得的两种高度分化模量的生物膜抗性材料。b)MM-IJ3DP双喷墨打印单元和紫外线灯。c) 伪随机打印策略生成具有模数选择的复合体素。d)物理性能的机械测试,化学成分的ToF-SIMS,和细菌生物膜抑制和细胞活力测定。e)不同成分试样性能数据库。f) GA有限元分析。g) 器件示例。

这项工作的灵感来自解决与设备/植入物相关的细菌感染和抗菌素耐药性(AMR) 的需要。因此,它避免使用抗生素和其他促抗微生物耐药性发展的药剂,采用细菌生物膜抗性材料,这些材料在接触时不会杀死细菌。

用于实验的3D打印机是PiXDROL P50,它使用双打印头,每个打印头有128个喷墨喷嘴。设备与常规喷射3D打印机一样,使用紫外线选择性沉积光聚合物。不同之处在于使用材料的复杂配方,不仅具有不同程度的柔韧性,同时还具有生物相容性。这使研究人员能够个性化定制更加自然,具有强度和灵活性的3D模型。因为打印过程中,材料随着不同体素进行混合,刚性和柔性区域整合在一起,没有明显分界。

用于生物兼容医疗设备的多材料3D打印机.jpg
△用于生物兼容医疗设备的多材料3D打印机

这种方法的一个附带好处是安全,因为使用了“本质上具有抗细菌性”的材料,降低了患者在植入后服用抗菌药物的需要。实验中的指关节植入物只是这种新多材料技术的一种可能性,其他可能性或许还有3D打印“智能药丸”。通过复杂的3D设计,材料层可以在可预测的持续时间内溶解,从而可以按时间释放药物。

示例:指关节植入物。.jpg
△通过聚合物复合材料的两个区域设计悬臂弯曲轮廓示例;MM-IJ3DP生物膜抗性医疗器械潜在应用示例:指关节植入物。

这项工作展示了MM-IJ3DP打印医疗设备/植入物的制造,通过生成式设计引导墨水的共沉积制造功能性复合材料产品,这些复合材料既能抵抗细菌生物膜的形成,又能实现特定的轮廓。结合先进的配方和设计工具与MM-IJ3DP技术,能够为提高个性化医疗设备的生产能力创造机会,以及根据个别患者的需求进行量身定制。


参考文献:He, Y., Abdi, M., Trindade, G.F., Begines, B., Dubern, J., Prina, E., Hook, A. L., Choong, G. Y. H., Ledesma,J., Tuck, C. J., Rose, F. R. A. J., Hague, R. J. M., Roberts, C. J., DeFocatiis, D. S. A., Ashcroft, I. A., Williams, P., Irvine, D. J., Alexander, M.R., & Wildman, R. D. (2021). Exploiting Generative Design for 3D Printingof Bacterial Biofilm Resistant Composite Devices. Advanced Science, 2100249.https://doi.org/10.1002/advs.202100249



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