融合堆積モデリングによる3D足場製造のためのポリマー-生物活性ガラス複合フィラメント。製作と特性評価

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Front Bioeng Biotechnol.2020;8:552. doi: 10.3389/fbioe.2020.00552.Epub 2020-06-24.

融合堆積モデリングによる3D足場製造のためのポリマー-生物活性ガラス複合フィラメント。製作と特性評価

Polymer-Bioactive Glass Composite Filaments for 3D Scaffold Manufacturing by Fused Deposition Modeling: Fabrication and Characterization.

Thomas Distler
Niklas Fournier
Alina Grünewald
Christian Polley
Hermann Seitz
Rainer Detsch
Aldo R Boccaccini

PMID: 32671025 PMCID: PMC7326953. DOI: 10.3389/fbioe.2020.00552.

抄録

重篤なサイズの骨欠損は、定期的に自動移植や移植片移植によって治療されている。しかし、このような治療法では、患者のドナー部位から骨を採取する必要があり、組織の利用可能性が限られていたり、ドナー部位の罹患リスクがあったりすることが多い。このような治療法では、骨の提供を必要とせず、3次元（3D）印刷されたインプラントや生体材料ベースの組織工学（TE）戦略が、骨再生のための次世代治療法となることが期待されている。本研究では、ポリ乳酸(PLA)-生物活性ガラス(BG)複合材料の足場を、溶融堆積モデリング(FDM)により製造し、制御されたオープンポーラスおよび骨誘導性足場を3Dプリントするために使用されるPLA-BG複合フィラメントの製造を含む、ポリ乳酸(PLA)-生物活性ガラス(BG)複合材料の足場を紹介している。我々は、骨芽細胞前細胞MC3T3E1を用いて、PLA-BGフィラメントの印刷性、およびPLA-BG足場の生理活性と細胞親和性を実証した。また、遺伝子発現解析の結果、FDM足場にBGを内包させた場合、ヒト脂肪由来幹細胞の骨形成分化が、そのままのPLAと比較して増加することが明らかになった。以上の結果から、FDMは骨組織工学に適したPLA-BG複合足場を開発するための便利な添加剤製造技術であることが確認された。

Critical size bone defects are regularly treated by auto- and allograft transplantation. However, such treatments require to harvest bone from patient donor sites, with often limited tissue availability or risk of donor site morbidity. Not requiring bone donation, three-dimensionally (3D) printed implants and biomaterial-based tissue engineering (TE) strategies promise to be the next generation therapies for bone regeneration. We present here polylactic acid (PLA)-bioactive glass (BG) composite scaffolds manufactured by fused deposition modeling (FDM), involving the fabrication of PLA-BG composite filaments which are used to 3D print controlled open-porous and osteoinductive scaffolds. We demonstrated the printability of PLA-BG filaments as well as the bioactivity and cytocompatibility of PLA-BG scaffolds using pre-osteoblast MC3T3E1 cells. Gene expression analyses indicated the beneficial impact of BG inclusions in FDM scaffolds regarding osteoinduction, as BG inclusions lead to increased osteogenic differentiation of human adipose-derived stem cells in comparison to pristine PLA. Our findings confirm that FDM is a convenient additive manufacturing technology to develop PLA-BG composite scaffolds suitable for bone tissue engineering.