Integrating 3D Printing and Biomimetic Mineralization for Personalized Enhanced Osteogenesis, Angiogenesis, and Osteointegration

材料科学 骨整合 生物医学工程 生物相容性 承重 血管生成 3D打印 植入 骨愈合 解剖 复合材料 外科 医学 内科学 冶金
作者
Limin Ma,Xiaolan Wang,Naru Zhao,Ye Zhu,Zhiye Qiu,Qingtao Li,Zhou Ye,Zefeng Lin,Xiang Li,Xiaolong Zeng,Hong Xia,Shizhen Zhang,Yu Zhang,Yingjun Wang,Chuanbin Mao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:10 (49): 42146-42154 被引量:67
标识
DOI:10.1021/acsami.8b17495
摘要

Titanium (Ti) alloy implants can repair bone defects at load-bearing sites. However, they mechanically mismatch with the natural bone and lack customized adaption with the irregularly major-sized load-bearing bone defects, resulting in the failure of implant fixation. Mineralized collagen (MC), a building block in bone, can induce angiogenesis and osteogenesis, and 3D printing technology can be employed to prepare scaffolds with an overall shape customized to the bone defect. Hence, we induced the formation of MC, made of hydroxyapatite (HAp) nanocrystals and collagen fibers, in 3D-printed porous Ti6Al4V (PT) scaffolds through in situ biomimetic mineralization. The resultant MC/PT scaffolds exhibited a bone-like Young’s modulus and were customized to the anatomical contour of actual bone defects of rabbit model. We found that the biocompatibility and osteogenic differentiation are best when the mass ratio between HAp nanocrystals and collagen fibers is 1 in MC. We then implanted the MC/PT scaffolds into the customized radius defect rabbit model and found that the MC/PT scaffolds significantly improved the vascularized bone tissue formation and integration between new bone and the implants. Therefore, a combination of 3D printing and biomimetic mineralization could lead to customized 3D PT scaffolds for enhanced angiogenesis, osteogenesis, and osteointegration. Such scaffolds represent novel patient-specific implants for precisely repairing irregular major-sized load-bearing bone defects.
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