上海硅酸盐所制备出3D打印仿生莲藕支架用于骨再生



 在临床上大块骨缺损的修复一直是一个挑战,由于3D打印技术可以便捷的制备形状可控的多孔支架材料,而被广泛应用于生物材料和骨组织工程领域。传统3D打印支架具有多孔的结构,将材料植入缺损部位后,营养物质和细胞会沿着孔向内渗入支架内部,进而有利于骨组织向内长入,最终促进骨缺损的修复。然而,传统3D打印支架在大块骨缺损方面仍显不足。首先,传统3D打印支架都是由实心的基元堆叠而成,大大降低了材料的孔隙率;其次,传统3D打印支架的孔隙呈阶梯三维延伸状,并没有形成平直的孔道状,因此在流体力学上有较强的流体阻力,不利于营养物质和细胞渗入支架内部,从而阻碍了修复过程中的成血管和成骨。

近日,中国科学院上海硅酸盐研究所吴成铁研究员与常江研究员带领的研究团队在3D打印复杂结构生物陶瓷用于血管化大块骨缺损修复方面取得新进展。该研究团队受到自然界中莲藕内部平行多通道结构的启发,采用3D打印制备出仿生莲藕支架,并与上海交通大学附属第九人民医院蒋欣泉团队合作进一步发现该类支架相对于传统3D打印支架具有显著提高大块骨缺损的修复的能力。该研究成果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201700401,http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201700401/abstract)上,该论文第一作者为上海硅酸盐所在读博士生冯春,指导导师为吴成铁研究员,并申请专利一项。

该研究团队把传统3D打印支架每个基元的内部做成平行多通道结构,这种结构有望大大促进新血管和骨组织的长入,有利于骨缺损的修复,并重新设计了内部共轴镶嵌的挤压式3D打印针头,通过改进的3D打印制备方法,实现了一次性打印仿生莲藕支架。并且通过该改进的3D打印方法,能够便捷地调控仿生莲藕支架的物理和化学性质。采用该方法不仅可以用各种生物陶瓷(Akermanite, Al2O3, ZrO2)、金属Fe和高分子海藻酸钠等多种材料制备出仿生莲藕支架,而且能制备出不同形状、孔道数目、孔道直径的仿生莲藕支架。除此之外,还可以通过调控3D支架的基元堆砌方式和孔道数目来调控该仿生莲藕支架的孔隙率和力学强度。该仿生莲藕支架的最高孔隙率达到了80%,力学强度可以达到40MPa以上,能够满足骨缺损修复材料的要求。

该研究团队进一步通过选择生物活性良好的镁黄长石(Akermanite)陶瓷作为基体代表材料,来探究这种仿生莲藕材料在骨组织再生工程中的性能和应用,分别制备了具有单孔道、双孔道、三孔道和四孔道的仿生莲藕生物陶瓷支架。体外生物学分析结果表明,与传统3D支架相比,该仿生莲藕镁黄长石生物陶瓷支架更有利于细胞的粘附和增殖,并且随着通道数目的增加,其效果越明显增加。体内动物实验表明该仿生莲藕生物支架大大提高了骨组织再生能力和成血管化效应,有利于骨缺损的修复。与传统的3D生物活性支架相比,该3D打印仿生莲藕生物支架更有利于营养物质向支架内部的传输,引导细胞和组织向内长入,从而促进前期的成血管以及后期的成骨,提高了骨缺损的修复性能。并由于其多通道高孔隙率的结构特点,该种材料还可以用于药物大分子装载、表面功能化修饰以及催化、能源、环境等其他领域。

相关研究得到了中组部青年千人计划、国家重点研发计划和国家自然基金、中国科学院前沿科学研究计划等基金的资助。

受自然界启发制备出仿生莲藕支架用于骨组织工程。(c-g)材料制备过程。

3D打印仿生莲藕支架理化性质的调控。(a)不同材料的仿生莲藕支架,(b)不同形状的仿生莲藕支架和(c)不同孔道尺寸的仿生莲藕支架。

仿生莲藕支架孔隙率和力学强度的调控。(a)三种不同基元堆砌方式的仿生莲藕支架,具有不同数目孔道和堆砌方式的仿生莲藕支架的(b)孔隙率和(c)力学强度。

仿生莲藕支架的体内生物学分析。(a)兔子间充质干细胞(BMSCs)在仿生莲藕支架上的SEM照片,(c-e)细胞培养在支架上第3天的共聚焦显微镜照片,仿生莲藕支架的(f)细胞粘附和(g)增殖结果。

仿生莲藕支架的体外生物学分析。4周的大鼠肌袋植入实验中,(a)大量细胞长入莲藕状孔道内部,(b,c)血管微灌注实验结果表明,血管成功长入到孔道内;12周的兔子颅骨缺损实验中的(d,e)micro-CT和(f)组织切片VG染色结果,(g)骨缺损部位新骨的统计学分析结果都表明仿生莲藕支架具有更好的骨修复能力。

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