3D/4D 프린팅 바이오

2023년 7월 19일

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국제 익스트림 제조 저널(International Journal of Extreme Manufacturing)

압전성은 뼈 재생의 핵심 요소로 잘 알려져 있습니다. 그러나 현재 적층 제조된 지지체는 주로 생체 공학적 위상 구조와 기계적 미세 환경의 재구성에 중점을 두는 반면 뼈 재생에 중요한 전기 미세 환경(EM)은 무시됩니다.

International Journal of Extreme Manufacturing에 발표된 이 연구는 차세대 뼈 조직 공학을 위한 생체 압전 지지체의 3D/4D 프린팅의 엄청난 잠재력을 보여줍니다.

현재 3D/4D 프린팅 기술의 기능과 생체 압전 지지체의 임상 적용 요구 사항 사이에는 상당한 격차가 있습니다. 이를 개발하려면 재료과학, 기계공학, 생명공학 등 다양한 학문 분야의 공동 노력이 필요합니다. 광범위한 채택은 지능형 제조, 생체 공학 및 기계 학습과 같은 일부 최첨단 기술에서도 영감을 얻어야 합니다.

"원칙적으로 이것은 조직의 중요한 전기 미세 환경을 모방하여 뼈 복구를 촉진하는 스마트 생물학적 압전 지지체의 설계 및 제작을 가능하게 합니다."라고 홍콩 시립 대학의 박사후 연구원이자 연구의 제1저자인 Annan Chen이 말했습니다. .

"본질적으로 이는 차세대 뼈 조직 공학을 위한 스마트 지지체 구축의 잠재적 돌파구에 대한 새로운 깨달음을 제공합니다"라고 Huazhong University of Science Technology 교수인 Chunze Yan 교수와 석좌교수인 Jian Lu 교수는 말했습니다. 홍콩 시립대학교.

이 압전성은 압축이나 장력을 받을 때 양전하와 음전하를 생성하는 인간의 뼈에서 입증되었습니다. 예를 들어, 인간의 경골은 걷는 동안 ~300μV의 압전 전위를 생성할 수 있습니다. 따라서 압전 재료는 뼈 조직의 EM을 시뮬레이션하는 데 고유한 이점을 나타내며, 이는 세포의 신진대사와 새로운 뼈 형성을 크게 촉진할 수 있습니다.

압전재료의 표면 전하는 이온을 끌어당겨 이온 또는 전하 상호작용을 통해 세포 접착을 촉진할 수 있을 뿐만 아니라 성장인자 발현을 활성화하여 세포 증식 및 골형성 분화를 개선할 수 있습니다.

적층제조된 생체압전 지지체는 비침습적 초음파 자극을 통해 원하는 조직 EM을 재구성할 수 있다. 외부 자극에 노출되었을 때 3D 구조의 시간에 따른 기능 변화 동작도 4차원(4D) 프린팅으로 정의됩니다. 이 새로운 4D 기능 전환 생체 압전 지지체는 조직 재생을 위한 외부 자극에 반응하여 시간에 따라 프로그래밍 가능한 전기 생리학적 미세 환경을 제공할 수 있습니다.

Chen은 몇 년 전에 발견되었지만 대부분 무시되었던 일부 무연 생물학적 압전 재료로 실험을 시작했습니다. 그는 첨단 생물학적 응용을 위한 생체 압전 재료의 재료-지형-생체 기능성 통합 3D/4D 프린팅에 중점을 두었습니다.

과학자들은 놀랍게도 생체 압전 재료가 뛰어난 가공성과 생체 적합성을 보여주었다. 게다가, 그들은 다세포 유도성이 있었습니다. Chen은 “우리는 그들의 전기적 미세 환경이 뼈 세포 분화를 유도하고 혈관 세포 모집 및 신경 세포 복구를 촉진할 수 있다는 것을 발견했습니다.”라고 말했습니다. 이는 임상 적용에 큰 잠재력을 보여줍니다.