压电性已被公认为骨再生的关键因素。然而，目前的增材制造支架主要集中在仿生拓扑结构和力学微环境的重建上，而忽略了骨再生中至关重要的电微环境(EM)。
这项研究发表在《国际极限制造杂志》上，展示了3D/4D打印生物压电支架在下一代骨组织工程中的巨大潜力。
目前3D/4D打印技术的能力与生物压电支架的临床应用需求存在较大差距。它的发展需要材料科学、机械工程、生物工程等多学科的共同努力。它的广泛采用也应该从智能制造、仿生医学和机器学习等一些尖端技术中获得灵感。
“原则上，这开启了智能生物压电支架的设计和制造，通过模拟组织的关键电微环境来促进骨骼修复，”香港城市大学博士后、该研究的第一作者安南·陈(Annan Chen)说。
华中科技大学教授严春泽和香港城市大学讲座教授卢建表示:“从本质上讲，它为构建下一代骨组织工程智能支架的潜在突破提供了新的启示。”
这种压电性已经在人类骨骼中得到证实，当受到压缩或拉伸时，骨骼会产生正电荷和负电荷。例如，人的胫骨在行走时可以产生~300 μV的压电电位。因此，压电材料在模拟骨组织的EM方面显示出独特的优势，可以显著促进细胞的代谢和新骨的形成。
压电材料的表面电荷可以通过离子或电荷相互作用吸引离子，促进细胞粘附，激活生长因子表达，促进细胞增殖和成骨分化。
增材制造的生物压电支架可以通过无创超声刺激重建所需的组织EM。当暴露于外部刺激时，3D结构的这种随时间变化的功能转移行为也被定义为四维(4D)打印。这种新型的四维功能转移生物压电支架可以为响应外部刺激的组织再生提供一个时间依赖的可编程电生理微环境。
陈开始试验一些无铅的生物压电材料，这些材料几年前就被发现了，但基本上被忽视了。他专注于材料-地形-生物功能集成的生物压电材料3D/4D打印，用于先进的生物应用。
令科学家们惊讶的是，这种生物压电材料表现出了优异的加工性能和生物相容性。更重要的是，它们是多细胞诱导的。“我们发现它们的电微环境可以诱导骨细胞分化，促进血管细胞募集和神经细胞修复，”陈说。这显示了巨大的临床应用潜力。
但对于临床医学来说，最引人注目的是生物压电支架的重构策略是微创或无创的。Yan说:“通过可编程的超声波或磁性治疗作为远程机械刺激，可以提供具有可调节时间、持续时间和强度的按需体内电刺激。”
Chen, Yan, Lu和他们的实验室与大学的其他科学家合作，试图结合多学科的优势，推动3D/4D智能压电生物支架在更多的医疗应用中。“我们正在与骨科、口腔科、肿瘤学等领域的专家进行合作研究，并取得了预期的研究成果，”陈说。
多年来，3D/4D打印技术结合了传统生产技术中观察到的许多优点。虽然从实验室到病床还有很长的路要走，但该团队对3D/4D打印的未来表示乐观。陆教授说:“生物压电支架的3D/4D打印充分融合了材料科学、机械工程和生物工程等多学科的优势，它的巨大发展需要多学科的共同努力。”
“在多学科研究的共同努力下，3D/4D打印有望很快发挥其在为下一代组织工程创造智能生物压电支架方面的全部潜力。此外，我们还可以从智能制造、仿生医学、机器学习等一些前沿技术中汲取灵感，进一步推动这项技术的临床应用。”
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