Các nhà khoa học vật liệu đã nỗ lực nghiên cứu và chế tạo ra loại vật liệu sinh học lý tưởng có khả năng bắt chước cấu trúc của xương tự nhiên, phân hủy sinh học như các dạng xương mới với kỹ thuật sản xuất mang lại hiệu quả về chi phí. Mặc dù các ứng dụng trong BTE nhằm phục hồi các khuyết tật trong xương lớn vẫn chưa được thực hiện thành công kể cả trong phạm vi phòng thí nghiệm đến thực hành lâm sàng, lĩnh vực này vẫn đang đóng vai trò rất đáng kể với những nỗ lực nghiên cứu tích cực và dần trở thành công nghệ tiên phong.
Công nghệ in 3 chiều (3-D) hay còn gọi là công nghệ sản xuất đắp dần (additive manufacturing) hiệu quả về chi phí kết hợp các kỹ thuật rẻ tiền để tạo ra các giàn giáo bằng mực sinh học. Các kỹ sư sinh học tại trường Đại học bang Pennsylvania (Hoa Kỳ) mới đây đã phát triển một loại mực hỗn hợp làm từ ba loại vật liệu để in cấu trúc xốp 3-D giống xương. Các vật liệu cốt lõi: polycaprolactone (PCL) và poly (D, L-lactic-co-glycolide) axit (PLGA) là hai trong số các vật liệu sinh học có tính tương hợp sinh học thường được sử dụng phổ biến trong BTE. Các vật liệu thể hiện tính tương tác sinh học thuận lợi trong phòng thí nghiệm, mang lại kết quả tích cực trong quá trình tái tạo xương ở cơ thể sống trên mô hình động vật.
Do xương là một cấu trúc phức tạp nên các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại mực sinh học được làm bằng các phân tử PCL, PLGA và hydroxyapatite (HAps) có tính tương hợp sinh học, kết hợp các tính chất sức mạnh cơ học, phân hủy sinh học và dẫn tạo xương (osteoconduction) giống xương để hỗ trợ sửa chữa các khuyết tật, tổn xương trong xương tự nhiên. Sau đó, nhóm thiết kế một hệ thống ép đùn cơ khí mới và lắp đặt trên Máy in sinh học nhiều nhánh (MABP) được phát triển trước đó, để sản xuất các cấu trúc 3-D.
Các nhà khoa học sử dụng phần mềm Mach3 để thiết kế cấu trúc mô xương, sau đó, in cấu trúc này. Trong nghiên cứu, các cấu trúc phức hợp PCL/PLGA/HAp được so sánh với các cấu trúc PCL đơn để nắm được được vai trò quan trọng của việc thay đổi tính chất hóa học của vật liệu đối với quá trình mô phỏng cấu trúc giống xương.
Hệ thống cơ khí chạy bên trong được thiết kế để đẩy các phân tử PCL và mực làm bằng vật liệu composite, sử dụng một vòi phun kim loại và một thiết bị máy đùn cơ khí gắn trên MABP. Bộ điều khiển nhiệt độ/quy trình tiên tiến được sử dụng để duy trì nhiệt độ ở đầu đầu vòi phun kim loại, cùng với cảm biến phản hồi cặp nhiệt điện loại K được đặt ở đầu dưới của ống xylanh để điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình lắng đọng polyme.
Kiến trúc vi mô của các cấu trúc xốp in 3-D có thể quan sát được một phần bằng kính hiển vi điện tử quét và sau đó được kiểm tra về các tính chất hóa học, cơ học và cấu trúc của chúng trong phòng thí nghiệm. Khả năng hỗ trợ sự phát triển các tế bào sinh học của vật liệu đã được thử nghiệm thông qua các tương tác tế bào - vật chất bằng cách sử dụng tế bào gốc tủy xương, hiển thị hóa bằng kính hiển vi huỳnh quang.
Khả năng biệt hóa thành osteoblasts (tế bào tạo xương) trong quá trình tạo xương (phát triển xương) được quan sát bằng kỹ thuật Real-time PCR bằng cách xác định các gene quan trọng được biểu hiện bởi các tế bào trong quá trình tạo xương. Các gene quan trọng bao gồm yếu tố phiên mã liên quan đến runt 2 (RUNX2), osteocalcin (OCN còn được gọi là BGLAP) và phosphatase kiềm (ALP), kết hợp với khả năng biệt hóa thành nguyên bào xương osteoblast.
Vật liệu composite 3-D (PCL/PLGA/HAp) cho thấy sự phát triển tế bào được cải thiện và biểu hiện gene đa dạng trong quá trình tái tạo xương so với kỹ thuật in PCL 3-D. Khả năng tạo xương được cải thiện tương đối của vật liệu tổng hợp 3-D cũng đã được công nhận sau thử nghiệm cấy vào cơ thể sống, mô hình động vật. Các nhà nghiên cứu quan sát thấy tỷ lệ tăng mô xương mới được hình thành mới sau 8 tuần với kỹ thuật mô học.
Quan sát ghi nhận thành phần của vật liệu, vì độ ẩm bề mặt lớn hơn (chất kỵ ẩm) và các yếu tố thúc đẩy ăn mòn giúp tăng trưởng tế bào tốt hơn trên vật liệu composite so với PCL kỵ nước.
Các nghiên cứu in vitro và in vivo mở rộng đã chứng minh rằng loại mực hỗn hợp được phát triển trong phòng thí nghiệm cho kỹ thuật in 3 chiều là loại vật liệu tiềm năng, đầy hứa hẹn cho các ứng dụng BTE. Các vật liệu BTE sinh học, tế bào và gene được mô tả là vật liệu thế hệ thứ ba có khả năng sửa chữa tổn thương, khuyết tật trong xương và vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực. Các nhà khoa học vật liệu cũng tập trung vào kỹ thuật và cải tiến các vật liệu BTE thế hệ tiếp theo có khả năng tích hợp chiều thứ tư của thời gian vào các cấu trúc 3-D và trong các polyme thông minh để tạo ra các polyme bốn chiều (4-D) cho các ứng dụng BTE trong kỹ thuật chỉnh hình.