Evaluation of the Mechanical and Biological Properties of Polycaprolactone Scaffolds with Different Patterns Fabricated by the 3D Pen: A Novel In Situ Bone Repair Strategy

Abstract

Interest and advancements in the field of bone tissue engineering (BTE) have grown significantly over the years, with a dramatic increase in the number of studies and reviews, since the mid-1980s. As one of the three elements of BTE, scaffolds have been widely studied and favored for their abilities to maintain the stability of bone defect sites for an extended period and to provide a favorable environment for the growth of osteoblasts and blood vessels. To address the high cost and long cycle associated with the multi-step digital restoration process involving 3D printing technology, the 3D pen was proposed as an innovative strategy for in situ bone repair. In situ refers to processes occurring within a living organism or in its natural biological environment. Capitalizing on the low melting point characteristic of polycaprolactone (PCL), for the first time, the novel concept of directly constructing scaffolds at bone defect sites using 3D pens was introduced. In this in vitro study, both the mechanical and biological properties of 3D pen-printed PCL scaffolds with six distinct patterns: unidirectional (UNI 0°, 45°, 90°); bidirectional (BID -45°/45°, 0°/90°); and concentric (CON), were meticulously evaluated. The bone repair scaffold creation process was simulated using a fused deposition modeling (FDM) 3D printer and a 3D pen by creating a cattle bone defect model to compare the achieved scaffold time efficiency and accuracy. Mechanical test results revealed that 3D pen-printed scaffolds with different patterns exhibited varying results in four tests, except the shear bond test. Optimal scaffold strength was consistently achieved when the printing direction was parallel to the applied force. Regarding biological properties, these scaffolds exhibited consistent cell viability over time and showcased excellent cell attachment capabilities overall. Furthermore, cells grew regularly along the printed filaments, with additional living cells at high elevations observed. Additionally, the 3D pen method outperformed traditional digital technology with an FDM 3D printer concerning accuracy and speed. These findings underscored the tremendous potential of the 3D pen in the realm of medical science, specifically within the domain of in situ bone repair, characterized by its low cost, high speed, and convenience.

골조직공학(BTE) 분야에 대한 관심과 발전은 1980년대 중반 이후로 연구논문의 발표가 급격히 증가하면서 크게 성장하였다. BTE의 세 가지 요소 중 하나인 스캐폴드는 골 결손 부위의 안정성을 장기간 유지하고 골모세포와 혈관의 성장에 유리한 환경을 제공하는 능력으로 인해 널리 연구되고 선호되었다. 3D 프린팅 기술을 활용한 다단계 디지털 복원 과정이 높은 비용과 긴 주기를 동반하는 문제를 해결하기 위해, 현장에서(in situ) 골 재생을 위한 혁신적인 전략으로 3D 펜이 제안되었다. In situ는 살아있는 생물체 내 또는 자연 생물 환경에서 발생하는 과정을 의미한다. Polycaprolactone(PCL)의 낮은 융점 특성을 활용하여 처음으로 3D 펜을 이용해 골 결손 부위에서 직접 스캐폴드를 제작하는 새로운 개념이 도입하였다. 본 체외 연구(in vitro)는, 3D 펜으로 프린트된 PCL 지지체의 기계적 및 생물학적 특성을 면밀히 평가했다. 평가한 텍스처는 일방향(UNI 0°, 45°, 90°), 양방향(BID -45°/45°, 0°/90°), 그리고 동심원형(CON)의 총 6가지였다. 골 수복 지지체 제작 과정은 FDM(융합 적층 모델링) 3D 프린터와 3D 펜을 사용해 소의 골 결손 모델을 제작하여 시간 효율성과 정확성을 비교하는 방식으로 시뮬레이션하였다. 기계적 실험 결과, 3D 펜으로 프린트된 지지체는 전단 결합 실험 결과를 제외한 4개의 실험에서 텍스처에 따라 다양한 결과를 보였다. 지지체의 최적 강도는 인가된 힘과 평행하게 프린팅할 때인 것으로 나타났다. 생물학적 특성에 있어, 이러한 지지체는 시간이 지남에 따라 일관된 세포 생존율을 나타냈고, 전반적으로 우수한 세포 부착 능력을 보여주었다. 또한, 세포는 프린트된 필라멘트를 따라 규칙적으로 성장했으며, 더 높은 위치에서는 추가적인 생존 세포들이 관찰되었다. 추가적으로, 3D 펜 방법은 정확도와 속도 면에서 FDM 3D 프린터를 사용하는 전통적인 디지털 기술보다 우수한 성과를 보였다. 이러한 결과는 저비용, 고속, 편리함으로 특징지어지는 3D 펜이 의료 과학, 특히 골 조직 공학 분야에서 엄청난 잠재력을 가지고 있음을 보여주었다.