从废弃动物骨骼中提取生物相容性纳米墨水的3D打印

供稿人：张源、高琳
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

墨水直写（DIW）增材制造是一种用于组织工程修复和再生变形或缺失的器官或组织的理想技术，其挑战在于在不堵塞喷嘴的情况下能够合成结构更好的“墨水”。骨替代支架目前依赖于陶瓷无机材料(羟基磷灰石(HA))来增强聚合物基质。一块天然的人骨含有50−70%重量百分比的HA，实现人工骨如此高的无机负载量仍然是一个重大挑战。此外，目前增强的无机颗粒是由非常复杂的化学合成方法制成的，所生产的材料可能有毒，导致身体排斥反应，可能需要二次手术修复。

近日，印度理工学院卡拉格普尔分校的研究团队报告了一种从废旧鸡骨头中合成生物墨水的技术，并展示了其在医疗支架3D打印中的潜能。

图1 鸡骨提取钙亚微米颗粒、墨水制备及3D打印复杂结构示意图

图1a为从骨骼中提取钙亚微米颗粒的过程。收集骨骼煮熟，浸泡在过氧化氢中，去除附着在其上的肉并在空气中晾干，最后用柠檬酸释放胶原基质中的无机颗粒。图1b为墨水制备过程。使用双蒸馏水作为溶剂来制备墨水溶液，在水中加入5wt%的聚乙烯醇（PVA）作为粘合剂，将溶液脱气3小时后加入10wt%甘油和5wt%聚乙二醇（PEG）400。图1c为使用Hyrel Engine HR打印机以0.9mm的优化喷嘴直径打印样品的过程。取溶液5 mL，加入骨粉（～3.7 g），制备印刷用油墨。在用刮刀适当搅拌2小时后，得到厚而粘稠的浆液，然后将这种墨水装入注射器中，通过喷嘴挤出进行打印，打印层厚度为0.5mm、横向滑动速度200mm/s、体积流速为90mm3/min。

骨头通常是受压缩载荷的，因此对使用该生物墨水打印的圆柱形结构进行了压缩试验。应力-应变曲线图显示抗压强度可以达到1.8MPa。在压缩过程中，圆柱体变成了硬币的形状，表面没有明显的裂缝，这表明了印刷结构的延展性。

根据ASTM C1161-13规定尺寸打印样品并对其做三点弯曲试验。观察到试样没有断裂。使用弯矩方程计算样品的抗弯强度，发现抗弯强度为2.050616 MPa，最大挠度为8.3116 mm。由于试样可以承受巨大的弯曲而不发生断裂，它可以应用于承载载荷，如牙科应用中的牙桥。

对打印材料的膨胀特性进行了评估，以检查其在植入部位吸收体液的能力。结果表明，打印材料的膨胀率在24小时内没有太大的变化，这有利于支架的体内应用。对打印材料的降解率随时间的变化进行评估。在试验的最初几天降解率较高，然后逐渐下降。在本研究中，观察到降解率在第7天约为10%，说明它可以应用为骨裂缝的填充材料。

图2 对照组与生物墨水组细胞活性测试

图2说明生物墨水具有生物相容性。将对照组和生物墨水组培养的细胞生物活性进行比较，并提供了连续三天的相对值。从第1天开始，可以看到细胞活力超过80%，并且随着时间的推移不断增加，进一步说明了所制生物墨水具有良好的生物相容性。

这项研究所制造的生物墨水3D打印的部件显示出更好的机械性能和生物相容性，对未来的骨移植有应用潜力；使用生物材料或生物衍生材料减少了对化石来源材料的需求，并对环境产生长期的良好影响；同时也可以极大地帮助目前正在全世界范围内推广的循环经济。

参考文献：
Das M, Jana A, Mishra R, et al. 3D Printing of a Biocompatible Nanoink Derived from Waste Animal Bones[J]. ACS Applied Bio Materials, 2023.