Advanced Science：諾丁漢研究人員開發(fā)復(fù)合材料細菌生物膜抗性人體植入物3D打印技術(shù)

導(dǎo)讀：隨著對疾病認識的加深，針對個體的個性化治療需求也在增加。然而，大多數(shù)批量生產(chǎn)的醫(yī)療設(shè)備無法完全滿足患者復(fù)雜的需求，單一材料3D打印方法也存在設(shè)計限制，無法生產(chǎn)具有多種生物或機械功能的定制設(shè)備。

針對這一問題，諾丁漢大學(xué)研究人員采用多材料噴墨3D打印（MM-IJ3DP）和遺傳算法（GA），通過設(shè)計每個體素中不同墨水的比例，使打印產(chǎn)品表現(xiàn)出所需的性能，例如模量、透明度等。團隊開發(fā)兩種可抑制聚合后生物膜的形成，同時具有非常不同的彈性模量的功能性墨水，結(jié)合MM-IJ3DP打印復(fù)合結(jié)構(gòu)。

△ 3D打印和表征定制生物膜抑制裝置。a) 現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中四種單體獲得的兩種高度分化模量的生物膜抗性材料。b)MM-IJ3DP雙噴墨打印單元和紫外線燈。c) 偽隨機打印策略生成具有模數(shù)選擇的復(fù)合體素。d)物理性能的機械測試，化學(xué)成分的ToF-SIMS，和細菌生物膜抑制和細胞活力測定。e)不同成分試樣性能數(shù)據(jù)庫。f) GA有限元分析。g) 器件示例。

這項工作的靈感來自解決與設(shè)備/植入物相關(guān)的細菌感染和抗菌素耐藥性(AMR) 的需要。因此，它避免使用抗生素和其他促抗微生物耐藥性發(fā)展的藥劑，采用細菌生物膜抗性材料，這些材料在接觸時不會殺死細菌。

用于實驗的3D打印機是PiXDROL P50，它使用雙打印頭，每個打印頭有128個噴墨噴嘴。設(shè)備與常規(guī)噴射3D打印機一樣，使用紫外線選擇性沉積光聚合物。不同之處在于使用材料的復(fù)雜配方，不僅具有不同程度的柔韌性，同時還具有生物相容性。這使研究人員能夠個性化定制更加自然，具有強度和靈活性的3D模型。因為打印過程中，材料隨著不同體素進行混合，剛性和柔性區(qū)域整合在一起，沒有明顯分界。

△用于生物兼容醫(yī)療設(shè)備的多材料3D打印機

這種方法的一個附帶好處是安全，因為使用了“本質(zhì)上具有抗細菌性”的材料，降低了患者在植入后服用抗菌藥物的需要。實驗中的指關(guān)節(jié)植入物只是這種新多材料技術(shù)的一種可能性，其他可能性或許還有3D打印“智能藥丸”。通過復(fù)雜的3D設(shè)計，材料層可以在可預(yù)測的持續(xù)時間內(nèi)溶解，從而可以按時間釋放藥物。

△通過聚合物復(fù)合材料的兩個區(qū)域設(shè)計懸臂彎曲輪廓示例；MM-IJ3DP生物膜抗性醫(yī)療器械潛在應(yīng)用示例：指關(guān)節(jié)植入物。

這項工作展示了MM-IJ3DP打印醫(yī)療設(shè)備/植入物的制造，通過生成式設(shè)計引導(dǎo)墨水的共沉積制造功能性復(fù)合材料產(chǎn)品，這些復(fù)合材料既能抵抗細菌生物膜的形成，又能實現(xiàn)特定的輪廓。結(jié)合先進的配方和設(shè)計工具與MM-IJ3DP技術(shù)，能夠為提高個性化醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)能力創(chuàng)造機會，以及根據(jù)個別患者的需求進行量身定制。

參考文獻：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

文獻地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202100249