3D/4D-gedruckte biopiezoelektrische Gerüste zeigen Potenzial für die Knochengewebetechnik

Piezoelektrizität gilt als Schlüsselfaktor bei der Knochenregeneration. Die aktuellen additiv gefertigten Gerüste konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf die Rekonstruktion der bionischen topologischen Struktur und der mechanischen Mikroumgebung, während die entscheidende elektrische Mikroumgebung (EM) bei der Knochenregeneration vernachlässigt wird.

Die Studie, veröffentlicht in Internationale Zeitschrift für Extreme Manufacturing zeigt das enorme Potenzial des 3D-/4D-Drucks biopiezoelektrischer Gerüste für die Knochengewebetechnik der nächsten Generation.

Es besteht eine erhebliche Lücke zwischen den Fähigkeiten der aktuellen 3D-/4D-Drucktechniken und den klinischen Anwendungsanforderungen biopiezoelektrischer Gerüste. Seine Entwicklung erfordert eine gemeinsame Anstrengung multidisziplinärer Studien, darunter Materialwissenschaften, Maschinenbau und Bioingenieurwesen. Seine weitverbreitete Einführung dürfte auch von einigen Spitzentechnologien wie intelligenter Fertigung, bionischer Medizin und maschinellem Lernen inspiriert sein.

„Im Prinzip eröffnet dies die Entwicklung und Herstellung eines intelligenten biologischen piezoelektrischen Gerüsts, das die Knochenreparatur fördert, indem es die entscheidende elektrische Mikroumgebung des Gewebes nachahmt“, sagte Annan Chen, Postdoktorandin an der City University of Hong Kong und Erstautorin der Studie .

„Im Wesentlichen bietet es neue Erkenntnisse für einen möglichen Durchbruch beim Aufbau intelligenter Gerüste für die Knochengewebetechnik der nächsten Generation“, sagten Prof. Chunze Yan, Professor an der Huazhong University of Science Technology, und Prof. Jian Lu, Lehrstuhlinhaber an der Huazhong University of Science Technology der City University of Hong Kong.

Diese Piezoelektrizität wurde in menschlichen Knochen nachgewiesen, die bei Druck oder Zug positive und negative Ladungen erzeugen. Beispielsweise kann das menschliche Schienbein beim Gehen ein piezoelektrisches Potenzial von ~300 μV erzeugen. Daher zeigen piezoelektrische Materialien einzigartige Vorteile bei der Simulation der EM von Knochengeweben, die den Zellstoffwechsel und die Knochenneubildung erheblich fördern können.

Die Oberflächenladungen piezoelektrischer Materialien können Ionen anziehen, um die Zelladhäsion durch Ionen- oder Ladungswechselwirkung zu fördern, und die Expression von Wachstumsfaktoren aktivieren, um die Zellproliferation und osteogene Differenzierung zu verbessern.

Die additiv gefertigten biopiezoelektrischen Gerüste können durch eine nicht-invasive Ultraschallstimulation die gewünschte Gewebe-EM rekonstruieren. Dieses zeitabhängige funktionalitätsverändernde Verhalten von 3D-Strukturen, wenn sie externen Reizen ausgesetzt werden, wird auch als vierdimensionaler (4D-)Druck definiert. Diese neuen biopiezoelektrischen Gerüste mit 4D-Funktionalitätsverschiebung können als Reaktion auf externe Reize eine zeitabhängig programmierbare elektrophysiologische Mikroumgebung für die Geweberegeneration bereitstellen.

Chen begann mit einigen bleifreien biologischen piezoelektrischen Materialien zu experimentieren, die vor Jahren entdeckt, aber weitgehend ignoriert wurden. Er konzentrierte sich auf den Material-Topographie-Biofunktionalität-integrierten 3D/4D-Druck von biopiezoelektrischen Materialien für fortgeschrittene biologische Anwendungen.

Zum Erstaunen der Wissenschaftler zeigten die biopiezoelektrischen Materialien eine hervorragende Verarbeitbarkeit und Biokompatibilität. Darüber hinaus waren sie vielzellig induzierbar. „Wir haben herausgefunden, dass ihre elektrische Mikroumgebung die Differenzierung von Knochenzellen induzieren, die Rekrutierung von Gefäßzellen und die Reparatur von Nervenzellen fördern kann“, sagte Chen. Das zeigt ein großes Potenzial für klinische Anwendungen.

Aber für die klinische Medizin war das Auffälligste, dass die Wiederherstellungsstrategie des biopiezoelektrischen Gerüsts minimalinvasiv oder nichtinvasiv war. „Mithilfe einer programmierbaren Ultraschall- oder Magnetbehandlung als ferngesteuerter mechanischer Stimulus kann eine bedarfsgesteuerte In-vivo-Elektrostimulation mit einstellbarer Zeitspanne, Dauer und Stärke erfolgen“, sagte Yan.

Chen, Yan, Lu und ihr Labor arbeiteten mit anderen Wissenschaftlern an der Universität zusammen, um zu versuchen, die Vorteile mehrerer Disziplinen zu kombinieren, um die intelligenten 3D/4D-piezoelektrischen biologischen Gerüste in mehr medizinischen Anwendungen zu fördern. „Wir führen kooperative Forschung mit Experten aus Orthopädie, Stomatologie, Onkologie und anderen Bereichen durch und haben die erwarteten Forschungsergebnisse erzielt“, sagte Chen.

Im Laufe der Jahre hat die 3D-/4D-Drucktechnologie viele Vorteile integriert, die bei herkömmlichen Produktionstechniken zu beobachten sind. Auch wenn es noch ein weiter Weg vom Labor zum Patientenbett ist, zeigt sich das Team optimistisch hinsichtlich der Zukunft des 3D-/4D-Drucks. „Der 3D/4D-Druck von biopiezoelektrischen Gerüsten integriert die Vorteile mehrerer Disziplinen wie Materialwissenschaften, Maschinenbau und Bioingenieurwesen vollständig. Seine großartige Entwicklung erfordert eine multidisziplinäre gemeinsame Anstrengung“, sagte Professor Lu.

„Dank der gemeinsamen Anstrengungen multidisziplinärer Studien dürfte der 3D-/4D-Druck bald sein volles Potenzial bei der Schaffung intelligenter biopiezoelektrischer Gerüste für die Gewebezüchtung der nächsten Generation entfalten. Darüber hinaus können wir uns auch von einigen Spitzentechnologien inspirieren lassen, z wie intelligente Fertigung, bionische Medizin und maschinelles Lernen, um die klinische Anwendung dieser Technologie weiter voranzutreiben.“