Abstract Pore size and connectivity of artificial bone scaffolds play key role in regulating cell ingrowth and vascularization during healing. The objective of this study was to develop a novel process for preparing 3D pore-interconnected open-cell bone substitutes with varying pore sizes. This was achieved by thermal-induced expansion, drying, then sintering the mixture of biphasic calcium phosphate (BCP) and a thermal responsive porogen comprising chitosan (CS) and hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC). The interpolymer complexes (IPCs) of CS/HPMC were prepared and investigated by FT-IR. The mixtures of IPCs/BCP were heated up to 100 °C for analyzing their thermal expansion properties. This resulted in ~13% and ~42% volume increment for IPC-1/BCP and IPC-2/BCP, respectively, while ~230% volume increased in the case of IPC-3/BCP (therefore chosen for sintering bone blocks). Heating rate-dependent (0.20–0.25 °C/min range) sintering profiles for IPC-3/BCP were utilized to produce BCP bone blocks. Gasification of IPC during sintering resulted in the formation of interconnected porous structures, and the morphology was investigated by SEM, revealing varying sizes ranging from 106 ± 13 μm to 1123 ± 75 μm. The pore size range of bone blocks from 235 ± 46 μm to 459 ± 76 μm portrayed significantly high MC3T3-E1 cell viability with prominent filopodial extensions, and elongated cells, depicting efficient biocompatibility. Therefore, the process for preparing porous interconnected 3D bone blocks were feasible, thereby serving as an alternative for potential bone tissue engineering applications.

中文翻译：

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用于骨组织工程的 3D 孔互连磷酸钙骨块

摘要 人工骨支架的孔径和连通性在调节愈合过程中的细胞向内生长和血管化中起关键作用。本研究的目的是开发一种新工艺，用于制备具有不同孔径的 3D 孔互连开孔骨替代品。这是通过热致膨胀、干燥、然后烧结双相磷酸钙 (BCP) 和包含壳聚糖 (CS) 和羟丙基甲基纤维素 (HPMC) 的热敏致孔剂的混合物来实现的。通过FT-IR制备并研究了CS/HPMC的互聚物复合物(IPC)。将 IPC/BCP 的混合物加热至 100 °C 以分析其热膨胀性能。这导致 IPC-1/BCP 和 IPC-2/BCP 的体积分别增加了约 13% 和约 42%，而在 IPC-3/BCP（因此选择用于烧结骨块）的情况下，体积增加了约 230%。IPC-3/BCP 的加热速率相关（0.20–0.25 °C/min 范围）烧结曲线用于生产 BCP 骨块。烧结过程中 IPC 的气化导致形成相互连接的多孔结构，并通过 SEM 研究形态，揭示了从 106 ± 13 μm 到 1123 ± 75 μm 的不同尺寸。骨块的孔径范围从 235 ± 46 μm 到 459 ± 76 μm，描绘了显着高的 MC3T3-E1 细胞活力，具有显着的丝状体延伸和细长的细胞，描绘了有效的生物相容性。因此，制备多孔互连 3D 骨块的过程是可行的，从而为潜在的骨组织工程应用提供替代方案。IPC-3/BCP 的加热速率相关（0.20–0.25 °C/min 范围）烧结曲线用于生产 BCP 骨块。烧结过程中 IPC 的气化导致形成相互连接的多孔结构，并通过 SEM 研究形态，揭示了从 106 ± 13 μm 到 1123 ± 75 μm 的不同尺寸。骨块的孔径范围从 235 ± 46 μm 到 459 ± 76 μm，描绘了显着高的 MC3T3-E1 细胞活力，具有显着的丝状体延伸和细长的细胞，描绘了有效的生物相容性。因此，制备多孔互连 3D 骨块的过程是可行的，从而为潜在的骨组织工程应用提供了替代方案。IPC-3/BCP 的加热速率相关（0.20–0.25 °C/min 范围）烧结曲线用于生产 BCP 骨块。烧结过程中 IPC 的气化导致形成相互连接的多孔结构，并通过 SEM 研究形态，揭示了从 106 ± 13 μm 到 1123 ± 75 μm 的不同尺寸。骨块的孔径范围从 235 ± 46 μm 到 459 ± 76 μm，描绘了显着高的 MC3T3-E1 细胞活力，具有显着的丝状体延伸和细长的细胞，描绘了有效的生物相容性。因此，制备多孔互连 3D 骨块的过程是可行的，从而为潜在的骨组织工程应用提供替代方案。烧结过程中 IPC 的气化导致形成相互连接的多孔结构，并通过 SEM 研究形态，揭示了从 106 ± 13 μm 到 1123 ± 75 μm 的不同尺寸。骨块的孔径范围从 235 ± 46 μm 到 459 ± 76 μm，描绘了显着高的 MC3T3-E1 细胞活力，具有显着的丝状体延伸和细长的细胞，描绘了有效的生物相容性。因此，制备多孔互连 3D 骨块的过程是可行的，从而为潜在的骨组织工程应用提供替代方案。烧结过程中 IPC 的气化导致形成相互连接的多孔结构，并通过 SEM 研究形态，揭示了从 106 ± 13 μm 到 1123 ± 75 μm 的不同尺寸。骨块的孔径范围从 235 ± 46 μm 到 459 ± 76 μm，描绘了显着高的 MC3T3-E1 细胞活力，具有显着的丝状体延伸和细长的细胞，描绘了有效的生物相容性。因此，制备多孔互连 3D 骨块的过程是可行的，从而为潜在的骨组织工程应用提供替代方案。骨块的孔径范围从 235 ± 46 μm 到 459 ± 76 μm，描绘了显着高的 MC3T3-E1 细胞活力，具有显着的丝状体延伸和细长的细胞，描绘了有效的生物相容性。因此，制备多孔互连 3D 骨块的过程是可行的，从而为潜在的骨组织工程应用提供替代方案。骨块的孔径范围从 235 ± 46 μm 到 459 ± 76 μm，描绘了显着高的 MC3T3-E1 细胞活力，具有显着的丝状体延伸和细长的细胞，描绘了有效的生物相容性。因此，制备多孔互连 3D 骨块的过程是可行的，从而为潜在的骨组织工程应用提供了替代方案。