圧縮特性を向上させ、再吸収を調整可能にした三次元印刷高分子セラミック足場の開発

Development of three-dimensional printing polymer-ceramic scaffolds with enhanced compressive properties and tuneable resorption.

• Zuoxin Zhou
• Eoin Cunningham
• Alex Lennon
• Helen O McCarthy
• Fraser Buchanan
• Nicholas Dunne

抄録

本研究では、ハイドロキシアパタイト(HA)と硫酸カルシウム(CaSO)粉末から粉末ベースの3Dプリントで作製した骨組織工学的足場を研究した。再吸収の速いCaSOベースの粉末と比較的遅いHA粉末の組み合わせは、3Dプリントされた（3DP）足場の生体吸収を調整するための有望な見通しを示している。これらの特性は、その後、異なる外科手術のための組織成長率に合わせて調整することができます。製造された足場は、ポリ(ε-カプロラクトン) (PCL)で浸潤させた。PCLは、緩く充填された粉末ベッドの性質上、3DP構造内の粒子間隔に浸透し、セラミックベースの足場の表面も覆っていました。その結果、平均圧縮強度、圧縮弾性率、靭性はそれぞれ314%、465%、867%増加した。3DP足場の吸収挙動は、人体に関連する生理学的環境と動的流動条件を模倣したハイスループットシステムを用いて、in vitroで特徴づけられた。0日目から28日目までの間のCaSOの急速な放出は、足場の質量と圧縮特性の減少、および媒体吸収の増加に見合ったものであった。これにもかかわらず、PCLフィブリルによって連結されたHA粒子は、動的条件下での56日間の再吸収後も微細構造内に残存していた。その結果、3DP足場内では高レベルの構造的完全性が維持された。本研究では、インプラントの初期段階で新しい組織の成長を促進し、骨の治癒段階では十分な構造的・機械的サポートを提供する可能性を持つ多孔質PCL-HA-CaSO 3DP構造を提示した。

In this study, bone tissue engineered scaffolds fabricated via powder-based 3D printing from hydroxyapatite (HA) and calcium sulphate (CaSO) powders were investigated. The combination of using a fast resorbing CaSO based powder and the relatively slower HA powder represents a promising prospect for tuning the bioresorption of 3D printed (3DP) scaffolds. These properties could then be tailored to coincide with tissue growth rate for different surgical procedures. The manufactured scaffolds were infiltrated with poly(ε‑caprolactone) (PCL). The PCL infiltrated the inter-particle spacing within the 3DP structures due to the nature of a loosely-packed powder bed and also covered the surface of ceramic-based scaffolds. Consequently, the average compressive strength, compressive modulus and toughness increased by 314%, 465% and 867%, respectively. The resorption behaviour of the 3DP scaffolds was characterised in vitro using a high-throughput system that mimicked the physiological environment and dynamic flow conditions relevant to the human body. A rapid release of CaSO between Day 0 and 28 was commensurate with a reduction in scaffold mass and compressive properties, as well as an increase in medium absorption. In spite of this, HA particles, connected by PCL fibrils, remained within the microstructure after 56 days resorption under dynamic conditions. Consequently, a high level of structural integrity was maintained within the 3DP scaffold. This study presented a porous PCL-HA-CaSO 3DP structure with the potential to encourage new tissue growth during the initial stages of implantation and also offering sufficient structural and mechanical support during the bone healing phase.

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