上海大学材料学院尹静波教授、张坤玺教授在《Advanced Functional Materials》上发表聚氨基酸仿生骨最新研究成果

通过先进增材制造技术制造具有仿生结构的人工骨对理解骨组织结构-性能以及骨组织再生具有重要意义。由于3D打印对墨水流变学性能要求苛刻，通过3D打印构建具有仿生纤维结构的人工骨面临巨大挑战，目前相关报道鲜见。受骨组织中多层次纤维结构和有机无机复合特征的启发，材料学院尹静波教授、张坤玺教授基于聚（L-谷氨酸苄酯）（PBLG）在成螺溶剂中的自组装特性，提出一种非溶剂辅助3D打印方法，在实现PBLG基复合材料3D打印的同时一步法生成仿生纤维结构，以模拟天然骨组织中胶原纤维束的形成（见图1）。研究成果发表在《Advanced Functional Materials》期刊（影响因子：18.500），论文题目为“Biomimetic Fibrous Bone Substitute Manufacture through Non-Solvent-Assisted 3D Printing”，上海大学为第一作者和第一通讯作者单位。该工作得到国家重点研发计划（2023YFC2412300）、国家自然科学基金项目（52373146, 5217313）和上海市自然科学基金（22ZR1424700, 22ZR1454900）的资助。

图1. 3D 打印制造仿生骨的示意图。

该研究首先揭示了非溶剂致PBLG纤维形成的内在机理，醇羟基介导的分子间氢键相互作用是PBLG原纤维生长成亚微米纤维的重要影响因素。羟基磷灰石纳米颗粒（nHA）与PBLG之间的氢键相互作用促使溶于1,4-二氧六环中的PBLG和nHA混合物表现出优异的可挤出性、自支撑性和可塑性。在乙醇为接收相的辅助下实现了具有仿生纤维结构骨替代物的一步高效制造。值得一提的是，非溶剂诱导的PBLG分子间相互作用力以及nHA与PBLG纤维间的氢键相互作用显著提高了仿生骨替代物的机械性能（36.59 ± 2 MPa）。同时，乙醇作为3D打印接收相，使得本无法挤出打印的PBLG基复合墨水表现出优异的可打印性。

为进一步克服层层堆叠打印因重力导致的塌陷缺点以及打印性能与仿生纤维制备的矛盾，研究制备了乙醇凝胶作为支撑浴，实现全相打印，扩大打印窗口，优化了仿生骨替代物的制备工艺，实现了骨结构的精准仿生设计。通过与医院合作，评价了仿生纤维结构在促进细胞迁移方面的作用，以及3D打印骨替代物在颅骨损伤中修复潜力。

聚氨基酸材料在生物医用领域具有巨大应用前景。多年来，尹静波教授带领研究团队一直从事聚氨基酸基生物材料的合成制备、功能化修饰以及组织再生的应用研究，并与多家医院合作，率先实现聚氨基酸材料在动物关节软骨、髁突软骨、半月板、脂肪、颅骨和牙槽骨等缺损组织重建中的应用，系列研究成果发表在Advanced Functional Materials 、Biomaterials、Bioactive Materials等学术期刊。基于前期科研积累，本研究提出的新型非溶剂辅助3D打印制造策略，突破了文献报道仅针对稀溶液自组装成纤维的局限性，实现了PBLG基材料的3D打印和仿生纤维结构构筑，展现出仿生材料大规模制造的巨大潜力。