Реактивная DLP-печать: превращение alpha-TCP в CDHA внутри костного каркаса

Традиционные каркасы для восстановления кости сталкиваются с противоречием: полностью керамические спечённые детали хрупки и могут сломаться при операции, а более вязкие полимерно-керамические композиты содержат изолированные частицы с ограниченным армирующим эффектом. Коллектив Политехнического университета Каталонии UPC предложил реакционную DLP-печать: гидролизуемый alpha-TCP вводят в смолу, печатают каркас и погружают его в воду. За семь дней более 92% alpha-TCP превращается непосредственно в каркасе в кальций-дефицитный гидроксиапатит CDHA. Взаимопроникающие сети игольчатых нанокристаллов почти удваивают прочность и модуль при сжатии, сохраняя деформацию разрушения около 10%. Это новый подход «напечатать и упрочнить» для костной тканевой инженерии.

1. Проблема хрупкости костных каркасов DLP

Каркас для костной тканевой инженерии должен сочетать биосовместимость, подходящие механические свойства и взаимосвязанные поры. DLP позволяет получать сложную цельную геометрию с разрешением в десятки микрометров. Но компромисс материалов остаётся: полностью керамические каркасы требуют высокотемпературного спекания и химически близки к минералу кости, однако хрупкость затрудняет посадку с натягом и винтовую фиксацию. Полимерно-керамические композиты более вязкие, но обычно содержат отдельные частицы керамики, что ограничивает армирование.

Альтернатива — взаимопроникающий композит, где и керамика, и полимер образуют непрерывные переплетённые трёхмерные сети. Концепция уже показана в DIW: после печати чернил alpha-TCP/PCL гидролиз alpha-TCP до CDHA вызывает самоотверждение и образование сетей внутри нитей. Однако сопла диаметром более 100 микрометров ограничивают разрешение DIW, затрудняя воспроизведение многоуровневой структуры кости и сложных криволинейных биомиметических элементов.

2. Реакционная смола: двойная роль alpha-TCP

Составы включали водный полиэтиленгликольдиакрилат PEGDA с молекулярной массой 700 g/mol, порошок alpha-TCP, фотоинициатор LAP и поглотители света Tartrazine/Orange-G. Четырём содержаниям PEGDA — 40, 60, 80 и 100 массовых процентов — соответствовали обозначения P40, P60, P80 и P100.

Реология определяет пригодность смолы к DLP. Alpha-TCP заметно увеличивал вязкость, но 2 массовых процента диспергатора Disperbyk 111 снижали её ниже 1 Pa·s во всех составах. Аппроксимация моделью Гершеля–Балкли показала разжижение при сдвиге (n < 1) и близкий к нулю предел текучести, благоприятные для равномерного нанесения слоёв.

Фотореология в реальном времени дала неожиданный результат: alpha-TCP ускорял фотосшивание. Начальная задержка уменьшилась примерно с 18 до 10 s, а максимальная скорость отверждения выросла. В отличие от обычного экранирования света частицами керамики, быстрая гидратация alpha-TCP, по предположению авторов, потребляла свободную воду и локально концентрировала полимер. FTIR согласуется с этим объяснением: степень превращения превышала 95% во всех группах, кроме P80 с 82%.

LCD-DLP-принтер с длиной волны 405 nm изготовил гироидные каркасы типа TPMS с проектной пористостью 50% и средним размером пор около 628 микрометров, сопоставимым с губчатой костью. Микро-КТ и SEM показали хорошее соединение слоёв без заметных дефектов. Таким образом, реакционноспособный порошок не лишил состав пригодности к печати.

3. Семь дней в воде: превращение alpha-TCP в CDHA

Гидролиз alpha-TCP начинался сразу после погружения напечатанных каркасов PEGDA/alpha-TCP в воду при 37°C. XRD показал около 72% превращения в CDHA за первый день. На седьмой день значения составляли 95.1%, 92.7%, 92.8% и 92.5% для P40/CDHA, P60/CDHA, P80/CDHA и P100/CDHA соответственно; оставались лишь следы beta-TCP и непрореагировавшего alpha-TCP. Количественный фазовый анализ Ритвельда согласовался с изменениями дифракции.

SEM выявил пучки переплетённых игольчатых нанокристаллов CDHA, образующих трёхмерную сеть. При большем содержании полимера кристаллы сильнее покрывались PEGDA. Удельная поверхность BET для P40/CDHA достигла 16.31 m2/g против 0.08 у чистого полимера P80 и 0.37 у спечённого beta-TCP. Такая наношероховатость создаёт поверхностные сигналы, значимые для остеоиндукции и формирования кости.

4. Почти двукратный рост механических характеристик

Свойства до и после реакции сравнивали во влажном состоянии, приближённом к физиологическим условиям. Напечатанный PEGDA/alpha-TCP был гибким, его поведение определял полимер, а деформация разрушения составляла около 15–20%. Через семь дней гидратации нагрузку несла сеть CDHA: прочность при сжатии и модуль упругости почти удвоились, при этом деформация разрушения оставалась около 10%. Плотность энергии деформации, характеризующая способность поглощать энергию до разрушения, также почти удвоилась.

Трёхточечный изгиб дополнительно показал потенциал композита: перемещение при разрушении P80/CDHA более чем в 16 раз, а плотность энергии при изгибе в пять раз превышали спечённый beta-TCP. Нереакционный контроль P80/beta-TCP не изменил механические свойства после воды, что исключает набухание как причину и связывает упрочнение с образованием CDHA.

По сравнению с опубликованными DLP-композитами фосфата кальция, включая гидроксиапатит, кремний-замещённый и двухфазный фосфат кальция, PEGDA/CDHA имел сопоставимые прочность при сжатии и модуль, но значительно большую деформацию разрушения. Даже после реакции сохранялась заметная деформируемость. Авторы связывают это с непрерывными вогнутыми поверхностями гироида: некоторое снижение осевой несущей способности компенсируется средой, более благоприятной для остеокондукции.

5. Сухое хранение и упрочнение в воде: перспективы применения

Испытания размерной стабильности показали возможность лиофильной сушки набухших каркасов для хранения с восстановлением 92.6–98.5% размеров после повторного увлажнения. Источник предлагает имплантацию в сухом виде: подгонку во время операции, последующее набухание в биологической жидкости и упрочнение через превращение alpha-TCP в CDHA. Концепция «напечатать и упрочнить» направлена на устранение хрупкости обычной керамики при установке.

Биосовместимость оценивали на остеобластоподобных клетках MC3T3-E1: непрямым тестом цитотоксичности экстракта (источник ссылается на ISO 10993:12) и прямым контактом. Измерения LDH не выявили выраженной цитотоксичности составов PEGDA/CDHA; конфокальная микроскопия показала адгезию и распластывание клеток. Испытание в PBS в течение 28 дней выявило контролируемое изменение массы. Это предварительные, а не клинические данные о долговременном применении.

Литература

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.