实验室内3D打印系统：a）内部开发的机械挤出系统安装在多臂生物打印机上，b）挤出沉积过程中使用FLIR（前视红外）相机获得的热图像，用于检测温度范围聚合物制造。图片来源：材料研究期刊（2018年）。DOI：10.1557 / jmr.2018.111
当骨骼缺陷无法自行愈合时，骨组织工程（BTE），整形外科领域的发展领域可以结合材料科学，组织工程和再生医学来促进骨修复。材料科学家的目标是设计理想的生物材料这可以通过具有成本效益的制造技术来模仿天然骨骼，从而提供一种框架，在新骨骼形成时提供支撑和生物降解。由于BTE中用于恢复大骨缺损的应用尚未从实验室工作台转移到临床实践，因此该领域积极开展研究工作和开拓性技术。
经济高效的三维（3-D）印刷（增材制造）结合了经济技术，可以创建具有生物链接的支架。宾夕法尼亚州立大学的生物工程师最近开发出一种由三种材料制成的复合油墨，用于三维印刷多孔的骨状结构。核心材料聚己内酯（PCL）和聚（D，L-乳酸 - 共 - 乙交酯）酸（PLGA）是BTE中最常用的两种合成生物相容性生物材料。现在发表在材料研究杂志上，这些材料在实验室中显示出生物学上有利的相互作用，随后是体内动物模型中骨再生的积极结果。
由于骨骼是一种复杂的结构，Moncal等人。开发了由生物相容性PCL，PLGA和羟基磷灰石（HAps）颗粒制成的生物链，结合了骨样机械强度，生物降解和引导修复生长（骨传导）的特性，用于辅助天然骨修复。然后，他们设计了一种新的定制设计的机械挤出系统，该系统安装在先前由同一组开发的多臂生物打印机（MABP）上，以制造3-D构造。
使用Mach3软件设计骨组织构建体并随后印刷。在该研究中，PCL / PLGA / HAp复合构建体在实验上与仅PCL构建体进行比较，以了解改变材料化学性质如何促成骨样模拟。
机械系统是在内部开发的，用于挤出PCL和复合油墨，使用金属喷嘴和安装在MABP上的机械挤出机单元。使用先进的温度/过程控制器来维持金属喷嘴尖端的温度，以及放置在桶的下端的K型热电偶反馈传感器，以在聚合物沉积期间调节温度。
用扫描电子显微镜比较观察3-D印刷多孔构造的微结构，然后在实验室中测试它们的化学，机械和结构性质。使用骨髓干细胞通过细胞 - 材料相互作用测试材料支持生物细胞增殖的能力，用免疫染色和荧光显微镜观察。
通过在成骨过程中鉴定细胞表达的感兴趣的特定基因，通过RT-PCR观察在成骨（骨发育）期间分化成成骨细胞（骨形成细胞）的能力。感兴趣的基因包括与成骨细胞分化相关的runt相关转录因子2（RUNX2），骨钙蛋白（OCN也称为BGLAP）和碱性磷酸酶（ALP）。
与3-D PCL相比，3-D复合材料（PCL / PLGA / HAp）在骨再生期间显示出改善的细胞增殖和增加的基因表达。在体内植入动物模型后，3-D复合材料的相对改善的成骨能力也得到了验证。研究人员观察了组织学技术8周后新形成的矿化骨组织的增加率。
该观察结果归功于材料的成分，因为与疏水性PCL本身相比，更大的表面润湿性（亲水性）和根深蒂固的骨传导因子有助于复合材料上更好的细胞生长。
广泛的体外和体内研究表明，在实验室中开发的用于3-D生物打印的复合油墨是用于BTE应用的有前景的材料。所描述的仿生，细胞和基因激活BTE材料是第三代骨修复材料并且仍然是研究的活跃领域。材料科学家还专注于工程和改进下一代BTE 材料，将第四维时间整合到三维构造和智能聚合物中，为骨科BTE应用创建四维聚合物（4-D）。#清风计划#
更多信息： Kazim K. Moncal等。用于骨组织工程的聚（ε-己内酯）/聚（D，L-丙交酯 - 共 - 乙交酯）/羟基磷灰石复合构造物的3-D印刷，Journal of Materials Research（2018）。DOI：10.1557 / jmr.2018.111在组织工程进度的十年 www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27583639 Khademhosseini A.，和Langer R.，2016年，自然协议。
向4- d用于组织工程支架印刷：利用3-d的形状记忆聚合物上培养的细胞递送时间控制的激励www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28726680 Hendrikson等人，2017，生物制造。
骨科手术中的骨替代品：从基础科学到临床实践。www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24865980Campana等，2014，材料科学杂志，医学材料。
期刊信息： 自然协议 ， 生物制造
