昆明理工大学徐旭辉教授团队《AM》：利用微晶水凝胶实现3D打印体内成型

在医疗领域中，体内植入式生物材料对于骨折的矫正修复、心血管疾病和神经疾病的治疗具有不可或缺的功效。传统的方法是将医疗材料在体外成型，并通过外科手术植入体内，但这种方法容易引起并发症并导致感染。因此，急需新的方法实现医疗材料在体内的制造，以有效降低与外科手术相关的风险。

2024年1月11日，昆明理工大学徐旭辉教授团队在《Advanced Materials》杂志在线发表了题为“Upconversion 3D Bioprinting for Noninvasive In-Vivo Moulding”的工作。该研究借鉴微晶玻璃的结构思路，选择氟化物纳米晶作为水凝胶内嵌的紫外固化光源，设计了一种上转换纳米颗粒(UCNPs)辅助的近红外3D生物材料打印方法，利用近红外光的穿透性，实现体内无创固化成型骨折固定支架。

该研究提出的基于UCNPs辅助近红外无创生物3D打印系统如图1所示。采用三维坐标定位框架固定近红外连续波激光器，并利用计算机辅助设计(CAD)对三维支架模型进行精确控制。UCNPs多光子聚合特性促使其主要焦点处被激活实现蓝紫光输出，诱导光敏材料局部光聚合。

图1 上转换材料辅助3D生物打印在体内无创固定骨折示意图

该研究设计了多层核壳NaYF₄: Tm³⁺@NaYbF₄@NaYF₄来调制蓝紫光高效发射以实现光敏材料的光聚合。合成的多层核壳结构形貌如图2所示，电镜图像可以清晰的观察到三层的核壳结构，核壳粒子具有均匀分布和单分散性特征，其中间层NaYbF₄(图2b)和惰性层NaYF₄(图2d)的壳层厚度分别为9.28 nm和13.75 nm。

图2  氟化物上转换纳米晶微观形貌结构

设计的不同核壳结构UCNPs的发光性能和光固化效果如图3所示。图3a显示了具有相同浓度Tm³⁺不同核壳结构UCNPs的光致发光(PL)光谱，其在345、362、450和475 nm处显示出显著的蓝紫色发光。通过设计核壳结构有效的优化了其发光强度，调节Tm³⁺浓度优化了其在蓝紫光波段的发射。NIR诱导的UCNPs的光聚合性能如图3e所示。在近红外光激发下，UCNPs发出蓝紫光被光引发剂吸收产生自由基，促进单体聚合。其中注射的生物墨水由树脂单体(Gel MA，丙烯)，光引发剂和UCNPs组成。

图3 氟化物上转换纳米晶光学性能及光固化测试

随后进行了骨折部位的体外固定实验，结果如图4所示。针对不同类型骨折该方法均能够进行较好的固定，完美地贴合到骨表面为骨折的修复过程提供更稳定的支撑。体内成型工艺及体内骨折固定效果如图4c-f所示，解剖后可以清晰观察到，固定支架完整固定住骨折部位。

图4 上转换氟化物纳米晶辅助3D生物打印技术用于体内骨折固定

综上所述，本研究基于UCNPs光聚合过程开发了一种近红外无创3D生物打印体内成型方法。合理设计核壳UCNPs实现在光引发剂的吸收光谱范围内高效的蓝紫色发射。利用三维移动定位框架，控制近红外激光器沿预定轨迹精确运动。在局部骨折部位皮下注射生物墨水，实现定制支架在体内的无创成型用于骨折修复，在临床医学领域显示出广阔的应用前景。

昆明理工大学为第一作者单位，通讯作者是昆明理工大学徐旭辉教授。文章第一作者是昆明理工大学博士生张鹏。该研究得到国家自然科学基金项目、云南省重大科技专项等项目资金支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202310617