3D打印生物陶瓷用于骨、軟骨修復(fù)研究獲系列進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在3D打印生物陶瓷用于骨、軟骨修復(fù)研究中取得系列進(jìn)展。通過(guò)3D打印方法制備有序大孔結(jié)構(gòu)的錳-磷酸三鈣（Mn-TCP）生物陶瓷支架，相關(guān)研究結(jié)果被《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials，adfm.201703117）接收，并申請(qǐng)專利一項(xiàng)。研究團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院教授蔣欣泉團(tuán)隊(duì)合作，制備出了由空心管基元堆疊而成的3D打印生物陶瓷支架，相關(guān)研究成果發(fā)表在《生物材料》（Biomaterials，2017; 135: 85-95）上。同時(shí)，該研究小組還通過(guò)3D打印技術(shù)成功制備了硅酸三鈣骨水泥支架(ACS Appl Mater Interfaces. 2017;9(7):5757-5767) 及兼具抗菌與成骨活性的生物陶瓷支架 (Biofabrication. 2017;9(2):025037)，在骨組織工程領(lǐng)域展示了良好的應(yīng)用前景。

骨關(guān)節(jié)炎是一種退行性關(guān)節(jié)疾病，其臨床表現(xiàn)為關(guān)節(jié)的紅、腫、熱、痛、功能障礙及關(guān)節(jié)畸形，嚴(yán)重者導(dǎo)致關(guān)節(jié)殘疾、影響患者生活質(zhì)量。關(guān)節(jié)炎疾病進(jìn)程中，軟骨首先受到損傷，而軟骨損傷通常累及軟骨下骨，進(jìn)而導(dǎo)致骨-軟骨缺損。由于軟骨和軟骨下骨的生物學(xué)特性不同，導(dǎo)致骨-軟骨一體化修復(fù)極具挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)提出構(gòu)建兼具軟骨-軟骨下骨一體化修復(fù)的3D打印生物陶瓷支架的策略，通過(guò)3D打印方法制備有序大孔結(jié)構(gòu)的錳-磷酸三鈣（Mn-TCP）生物陶瓷支架。Mn的引入大幅度提高支架的致密度和抗壓強(qiáng)度。Mn-TCP生物陶瓷不僅可以通過(guò)激活HIF信號(hào)通路促進(jìn)兔子軟骨細(xì)胞（Chondrocyte）和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（rBMSC）的增殖，支持軟骨細(xì)胞成熟和促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨分化，而且可以通過(guò)誘導(dǎo)炎癥模型的軟骨細(xì)胞產(chǎn)生自噬保護(hù)軟骨細(xì)胞。同時(shí)，體內(nèi)修復(fù)實(shí)驗(yàn)表明，Mn-TCP支架顯著促進(jìn)軟骨下骨和軟骨組織的生成，在骨-軟骨一體化修復(fù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)論文（Advanced Functional Materials，adfm.201703117）第一作者為在讀博士生鄧翠君，指導(dǎo)導(dǎo)師為吳成鐵。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)與上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院蔣欣泉團(tuán)隊(duì)合作，在3D打印復(fù)雜仿生結(jié)構(gòu)生物陶瓷用于血管化大塊骨缺損修復(fù)方面取得新進(jìn)展。在臨床上，大塊骨缺損的修復(fù)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，由于3D打印技術(shù)可以便捷地制備形狀可控的多孔支架材料，而被廣泛應(yīng)用于生物材料和骨組織工程領(lǐng)域。這種傳統(tǒng)的3D打印支架具有多孔的結(jié)構(gòu)，將材料植入缺損部位后，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)胞會(huì)沿著孔向內(nèi)滲入支架內(nèi)部，進(jìn)而有利于骨組織向內(nèi)長(zhǎng)入，最終促進(jìn)骨缺損的修復(fù)。然而，傳統(tǒng)的3D打印支架在大塊骨缺損方面仍顯不足。第一，由于傳統(tǒng)的3D打印支架都是由實(shí)心的基元堆疊而成，這大大降低了材料的孔隙率；其次，傳統(tǒng)3D打印支架的孔隙呈階梯三維延伸狀，并沒(méi)有形成平直的通道狀，因此在流體力學(xué)上有較強(qiáng)的流體阻力，不利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)胞滲入支架內(nèi)部，從而阻礙了修復(fù)過(guò)程中的成血管和成骨。該研究組制備出由空心管基元堆疊而成的3D打印生物陶瓷支架。這種空心管結(jié)構(gòu)的3D陶瓷支架比傳統(tǒng)的3D打印支架有更高的孔隙率。不僅能夠促進(jìn)血管向內(nèi)長(zhǎng)入，同時(shí)還會(huì)促進(jìn)干細(xì)胞和生長(zhǎng)因子的傳遞更有利于大塊骨缺損的修復(fù)（Biomaterials，2017; 135: 85-95）。

相關(guān)研究工作得到了科技部“863”計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然基金的資助。

Mn-TCP生物陶瓷支架形貌表征圖，（A-C）TCP，（D-F）2.5 Mn-TCP，（G-I）5 Mn-TCP，（J-L）10 Mn-TCP。隨著Mn含量增加，支架的顏色逐漸由淺粉色變?yōu)樯罘凵�，支架表面形貌也由TCP的多孔結(jié)構(gòu)變?yōu)橹旅艿囊夯�形貌�?br />

Mn-TCP生物陶瓷支架體內(nèi)修復(fù)效果，A1-D4材料植入8周，（A1-4）空白對(duì)照組，（B1-4）TCP組，（C1-4）5 Mn-TCP組，（D1-4）10 Mn-TCP組；E1-H4材料植入12周，（E1-4）空白對(duì)照組，（F1-4）TCP組，（G1-4）5 Mn-TCP組，（H1-4）10 Mn-TCP組。Mn-TCP生物陶瓷支架組較空白對(duì)照組和TCP組顯著促進(jìn)軟骨-軟骨下骨修復(fù)。

具有空心管復(fù)雜仿生結(jié)構(gòu)的3D打印生物陶瓷支架用于大塊骨缺損的修復(fù)。

具有空心管復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D打印生物陶瓷支架。

兔子大塊骨缺損修復(fù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)流程（a），體現(xiàn)成血管能力的micro-CT結(jié)果（b，c），體現(xiàn)成血管能力的組織學(xué)結(jié)果（d，e），體現(xiàn)成骨能力的micro-CT結(jié)果和組織學(xué)結(jié)果（g-i）。空心管生物陶瓷支架顯著誘導(dǎo)血管新生與大段骨缺損修復(fù)。

論文下載地址：
3D-printed scaffolds with synergistic effect of hollow-pipe structure and bioactive ions for vascularized bone regeneration，《生物材料》（Biomaterials，2017; 135: 85-95）

3D-Printed Bioactive Ca3SiO5 Bone Cement Scaffolds with Nano Surface Structure for Bone Regeneration (ACS Appl Mater Interfaces. 2017;9(7):5757-5767)

3D-printed bioceramic scaffolds with antibacterial and osteogenic activity   (Biofabrication. 2017;9(2):025037)


來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所