طباعة DLP تفاعلية: تحويل alpha-TCP إلى CDHA داخل سقالة عظمية

تواجه دعامات إصلاح العظام مفاضلة بين هشاشة الخزف الملبد وضعف كفاءة تدعيم الجسيمات الخزفية المعزولة داخل البوليمر. اقترح فريق جامعة كاتالونيا التقنية UPC طباعة DLP تفاعلية: إضافة alpha-TCP قابل للتحلل المائي إلى الراتنج، ثم طباعة الدعامة وغمرها في الماء. خلال سبعة أيام تحول أكثر من 92% منه إلى هيدروكسي أباتيت ناقص الكالسيوم CDHA. شكلت البلورات النانوية الإبرية شبكات متداخلة ضاعفت تقريباً مقاومة الضغط والمعامل، مع بقاء انفعال الكسر قرب 10%، ضمن مسار للطباعة ثم التصلد لهندسة أنسجة العظام.

1. معضلة الهشاشة في دعامات DLP العظمية

تتطلب الدعامة توافقاً حيوياً وخواص ميكانيكية مناسبة ومساماً مترابطة. تتيح الطباعة الخزفية DLP هندسات معقدة بدقة عشرات الميكرومترات. لكن الدعامة الخزفية بالكامل تحتاج إلى تلبيد مرتفع الحرارة، وتكون قريبة كيميائياً من معدن العظام ولكن هشة عند التثبيت بالضغط أو البراغي. أما المركبات البوليمرية الخزفية فتحسن المتانة، غير أن الجسيمات الخزفية المعزولة تحد من كفاءة التدعيم.

البديل هو مركب يشكل فيه الخزف والبوليمر شبكتين مستمرتين متداخلتين. سبق أن حققت DIW هذا المبدأ باستخدام حبر alpha-TCP/PCL، حيث يتحول alpha-TCP إلى CDHA ويتصلد داخل الخيوط. لكن قطر الفوهة الأكبر من 100 ميكرومتر يحد من الدقة ويصعّب محاكاة تدرج العظام متعدد المقاييس والأسطح المنحنية المعقدة.

2. تصميم الراتنج التفاعلي: الدور المزدوج لـ alpha-TCP

استُخدم محلول مائي من ثنائي أكريلات البولي إيثيلين غليكول PEGDA بوزن جزيئي 700 g/mol، ومسحوق alpha-TCP، والمبادئ الضوئي LAP، وماصات الضوء Tartrazine/Orange-G. دُرست نسب PEGDA مقدارها 40 و60 و80 و100 wt.%، وسُميت P40 وP60 وP80 وP100.

رفع alpha-TCP لزوجة الراتنج، لكن إضافة 2 wt.% من المشتت Disperbyk 111 خفضت لزوجة جميع التركيبات إلى أقل من 1 Pa·s. أظهر نموذج Herschel–Bulkley سلوكاً مخففاً بالقص، مع n < 1 وإجهاد خضوع قريب من الصفر، مما ساعد على فرد الطبقات.

أظهر القياس الريولوجي الضوئي أن alpha-TCP سرّع التشابك الضوئي: انخفض التأخر الأولي من نحو 18 إلى 10 s وارتفعت سرعة التصلد القصوى. وخلافاً لتأثير حجب الضوء المتوقع، اقترح الفريق أن الإماهة السريعة استهلكت الماء الحر وركزت البوليمر موضعياً. أظهر FTIR درجة تحول تتجاوز 95% باستثناء P80، التي بلغت 82%.

استُخدمت طابعة LCD-DLP عند 405 nm لصنع دعامات gyroid من الأسطح الدنيا الدورية الثلاثية TPMS، بمسامية تصميمية 50% ومتوسط مسام نحو 628 ميكرومتر. أكد micro-CT وSEM جودة الترابط بين الطبقات وعدم وجود عيوب واضحة، بما يدل على بقاء قابلية الطباعة بعد إضافة المسحوق التفاعلي.

3. سبعة أيام في الماء: التحول إلى CDHA في الموقع

بدأ التحلل المائي عند غمر الدعامات في ماء بدرجة 37°C. أظهر XRD تحول نحو 72% في اليوم الأول. وفي اليوم السابع بلغت النسب 95.1% و92.7% و92.8% و92.5% لتركيبات P40 وP60 وP80 وP100 على الترتيب، مع آثار بسيطة من beta-TCP وalpha-TCP غير المتفاعل. اتفقت نتائج تنقيح Rietveld مع تغيرات الحيود.

أظهر SEM حزماً متشابكة من بلورات CDHA الإبرية النانوية تشكل شبكة ثلاثية الأبعاد. زادت تغطية البلورات بـ PEGDA بزيادة البوليمر. بلغت المساحة النوعية BET في P40/CDHA قيمة 16.31 m2/g، مقابل 0.08 للبوليمر P80 و0.37 لـ beta-TCP الملبد. وتوفر هذه الخشونة النانوية إشارات سطحية مهمة لتكوين العظام.

4. تحسن ميكانيكي يقارب الضعف

أجريت المقارنة قبل التفاعل وبعده في الحالة الرطبة. كانت دعامات PEGDA/alpha-TCP المطبوعة مرنة ويهيمن البوليمر على سلوكها، مع انفعال كسر 15–20%. بعد إماهة سبعة أيام حملت شبكة CDHA الأحمال، فتضاعفت تقريباً مقاومة الضغط والمعامل المرن مع بقاء انفعال الكسر قرب 10%. كما تضاعفت تقريباً كثافة طاقة الانفعال، وهي مقياس مرتبط بالمتانة.

في الانحناء ثلاثي النقاط، تجاوزت إزاحة الكسر في P80/CDHA نظيرتها في beta-TCP الملبد بأكثر من 16 مرة، وبلغت كثافة طاقة الانحناء خمسة أضعافها. لم تتغير الخواص الميكانيكية للضابط غير التفاعلي P80/beta-TCP بعد الغمر، مما يستبعد الانتفاخ وحده ويربط التدعيم بتشكل CDHA.

مقارنة بدعامات DLP المنشورة من هيدروكسي أباتيت وفوسفات كالسيوم مستبدل بالسيليكون وفوسفات كالسيوم ثنائي الطور، كانت المقاومة والمعامل من المرتبة نفسها، لكن انفعال الكسر أعلى بوضوح. احتفظت المادة بقدرة كبيرة على التشوه بعد التفاعل. وربط الفريق ذلك بأسطح gyroid المقعرة المستمرة، التي تضحي بجزء من القدرة المحورية على التحمل لصالح بيئة أكثر ملاءمة للتوصيل العظمي.

5. التخزين الجاف والتصلد بالماء: إمكانات النقل التطبيقي

أمكن تجفيف الدعامات المنتفخة بالتجميد واستعادة 92.6–98.5% من أبعادها بعد إعادة الترطيب. يقترح المصدر زرعها جافة وتشكيلها أثناء الجراحة ثم انتفاخها بسوائل الجسم وتصلدها بتحول alpha-TCP إلى CDHA. يهدف المفهوم إلى تجنب هشاشة القطع الخزفية التقليدية أثناء المناولة.

استُخدمت خلايا MC3T3-E1 لتقييم التوافق الحيوي باختبارات المستخلص والتلامس المباشر؛ ويشير المصدر إلى ISO 10993:12. لم يظهر قياس LDH سمية واضحة، وأظهر التصوير متحد البؤر التصاق الخلايا وانتشارها. أظهر اختبار 28 يوماً في PBS تغيراً مضبوطاً في الكتلة. هذه أدلة أولية وليست إثباتاً سريرياً.

المراجع

Fagotto-Clavijo R, Lodoso-Torrecilla I, Diez-Escudero A, Ginebra M-P. Digital Light Processing of Reactive Ceramic-Polymer Bone Scaffolds Enables In situ Hydroxyapatite Formation. Acta Biomaterialia. 2026. DOI: 10.1016/j.actbio.2026.09.013.