来自卡内基梅隆大学 (CMU) 和康涅狄格大学 (UConn) 的一组研究人员拥有3D打印的新型磷酸钙石墨烯 (CaPG) 支架，未来可用于骨再生应用。

该团队试图开发一种替代传统自体骨移植物的方法，可以简单地稳定骨缺损和损伤。该研究成功制造了一种3D生物打印替代品，该替代品支持缺损部位的组织再生，并具有许多理想的特性，如骨诱导性、生物安全性、长保质期和合理的生产成本。

仿生3D打印的CaPG矩阵设计

3D打印石墨烯的挑战

虽然石墨烯的轻质特性、导电性和导热性以及机械强度使其成为生物医学、能源生产和微电子领域应用的理想材料，但石墨烯的大部分潜力来自于以单层形式部署该材料。因此，这在尝试利用该材料进行3D打印时提出了重大挑战。

尽管如此，近年来在利用该材料在增材制造的潜力方面取得了进展。例如，弗吉尼亚理工大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 开发了一种高分辨率3D打印方法，该方法涉及将石墨烯分散在凝胶中以形成3D可打印树脂，后者还与加州大学圣诞老人合作Cruz 将生产用于储能设备的石墨烯气凝胶电极。

在其他地方，西班牙陶瓷和玻璃研究所和艾克斯-马赛大学成功地3D打印了保留了许多单层材料广受欢迎的特性的氧化石墨烯支架，布法罗大学的研究人员开发了一种3D打印的净水气凝胶，可用于污水处理厂。

最近，哈尔滨工业大学的研究人员3D打印了一种氧化石墨烯软机器人，它能够在暴露于湿气时自行前后移动。

3DP-CaPG 基质上 hMSCs 的相容性和成骨分化

3D打印CaPG支架

在这项研究中，联合研究团队正在探索石墨烯的特性如何在医疗领域用于骨组织再生应用。

现有的生物材料骨基质旨在支持缺损部位或损伤处的组织再生，同时随着时间的推移降解并被新生长的骨取代。然而，研究人员表示，尽管在这一领域取得了进展，但目前仍然没有一种材料具有替代自体骨所需的所有理想特性。

过去已经探索了几种材料来制造一种合成基质，该基质表现出合适的骨诱导特性，同时还具有生物安全性、保质期长且生产成本效益高。其中，含有石墨烯的材料因其优异的化学、机械和生物学特性而受到广泛关注。

含石墨烯的材料可以促进细胞的粘附和生长，一些证据表明它们具有成骨潜力，因此这些材料正越来越多地用作骨再生工程应用的生物材料。然而，单独的氧化石墨烯缺乏在损伤部位启动天然骨再生所需的化学线索。此外，研究小组观察到，虽然氧化石墨烯薄片具有出色的机械性能，但氧化石墨烯的大块结构缺乏为再生骨骼提供机械支持所必需的水稳定性。

CMU 和康涅狄格大学的研究小组此前曾在该领域开展过工作，他们成功地创造了一种内在的骨诱导功能性石墨烯家族，称为磷酸盐石墨烯，具有骨再生的潜力。

在他们的最新研究中，他们通过添加钙成功地3D打印了一种模拟骨骼的CaPG材料，他们说钙能够促进干细胞分化为骨细胞。

小鼠颅骨缺损模型中基质的生物相容性

骨再生的“范式”

该团队使用直接墨水书写 (DIW) 3D 打印方法来打印其具有高重量分数的 CaPG 材料的多孔结构，以使墨水中的石墨含量“非常高”（约 90%）。这使细胞能够进入骨传导骨架并控制钙和磷酸盐离子的释放，这意味着宿主对基质的反应主要由功能性石墨含量而不是生物惰性粘合剂主导。

该团队将其 CaPG 粉末发送到 Dimension Inx，在那里3D打印了大片多孔 CaPG 矩阵。从这些表格中，该团队可以轻松地切出具有特定几何形状的矩阵，用于细胞和动物研究。该小组指出，矩阵也可以直接打印以匹配特定的骨缺损。因此，3D打印与团队的 CaPG 材料相结合，为骨再生工程提供了可定制的基质系统。

该团队在体外和体内研究了他们的3D打印CaPG基质的成骨潜力。根据这项研究，该团队的3D打印矩阵在人体间充质干细胞 (hMSC) 和体内骨缺损模型中展示了它们的骨形成能力。

对于体内试验，CaPG 与骨髓基质细胞 (BMSCs) 结合，以促进小鼠皮下空间内骨骼的形成。发现CaPG基质能够在体内进行再吸收和生物降解，该团队称这对于合成材料来说是罕见的，并表明它有望成为一种可吸收的骨诱导基质。

此外，该团队在研究期间没有观察到重要器官内的任何有害影响。展望未来，研究人员将进行进一步的开发研究，以改善其3D打印CaPG基质的机械性能，并确认其在体内的长期安全性。

目前，该小组相信3D打印的CaPG矩阵在未来的骨再生应用中具有巨大的潜力。

有关该研究的更多信息，请参见《自然》杂志上发表的题为“超低粘合剂含量3D打印磷酸钙石墨烯支架是一种可吸收的骨诱导基质，支持体内骨形成”的论文。该研究由 L. Daneshmandi、B. Holt、A. Arnold、C. Laurencin 和 S. Sydlik 共同撰写。

3DP-CaPG 基质的生物降解和生物分布