3D打印多孔支架用于高感染風(fēng)險(xiǎn)骨缺損的修復(fù)

在骨科臨床上,大段的骨缺損常伴有傷口的污染或開放，存在較高的感染風(fēng)險(xiǎn)。植入的材料在某種程度上也創(chuàng)造了細(xì)菌粘附生長(zhǎng)的載體或微環(huán)境，細(xì)菌可在其表面形成生物膜，而生物膜的形成是感染發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近期，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院骨科湯亭亭教授團(tuán)隊(duì)利用3D打印方法，制備了聚乳酸-羥基乙酸共聚物/羥基磷灰石(PLGA/HA)復(fù)合多孔生物支架并表面接枝殼聚糖季銨鹽(HACC);體內(nèi)外研究表明，該人工骨組織修復(fù)支架不僅具有很好的成骨能力，還兼具良好的抗菌活性。由于目前大多數(shù)骨缺損修復(fù)材料或技術(shù)都只著眼于無菌環(huán)境下的骨修復(fù);此種兼具抗菌性能的人工骨組織替代材料，對(duì)臨床上高感染風(fēng)險(xiǎn)或已感染骨缺損的防治具有重要應(yīng)用價(jià)值。

在骨科臨床上,大段的骨缺損常伴有傷口的污染或開放，存在較高的感染風(fēng)險(xiǎn)。植入的材料在某種程度上也創(chuàng)造了細(xì)菌粘附生長(zhǎng)的載體或微環(huán)境，細(xì)菌可在其表面形成生物膜，而生物膜的形成是感染發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近期，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院骨科湯亭亭教授團(tuán)隊(duì)利用3D打印方法，制備了聚乳酸-羥基乙酸共聚物/羥基磷灰石（PLGA/HA）復(fù)合多孔生物支架并表面接枝殼聚糖季銨鹽（HACC）；體內(nèi)外研究表明，該人工骨組織修復(fù)支架不僅具有很好的成骨能力，還兼具良好的抗菌活性。

由于目前大多數(shù)骨缺損修復(fù)材料或技術(shù)都只著眼于無菌環(huán)境下的骨修復(fù)；此種兼具抗菌性能的人工骨組織替代材料，對(duì)臨床上高感染風(fēng)險(xiǎn)或已感染骨缺損的防治具有重要應(yīng)用價(jià)值。

如圖1所示，研究人員首先利用3D打印技術(shù)制備多孔立體PLGA/HA支架，然后將課題組前期研發(fā)的具有顯著抗菌活性的HACC以共價(jià)鍵結(jié)合的方式接枝于復(fù)合支架材料上。該3D打印支架的孔隙率為80%左右，孔隙連通率接近100%，孔徑為320μm左右（圖2）；接枝的HACC可隨支架材料的降解而緩慢釋放，4周模擬體液浸泡后，HACC總緩釋量等于其初始負(fù)載量的70%左右。

研究人員隨后將打印的支架材料分為四組（P：?jiǎn)渭働LGA；P/HA：PLGA-HA；P/H：PLGA-HACC；P/HA/H：PLGA-HA-HACC）開展體外細(xì)菌學(xué)和細(xì)胞學(xué)試驗(yàn)。首先通過金葡菌及其耐藥菌株接種及死/活細(xì)菌染色發(fā)現(xiàn)，接枝HACC的支架（P/H和P/HA/H）均可顯著抑制細(xì)菌的早期粘附和生物膜形成（圖3）。

研究人員進(jìn)一步觀察了各組支架表面人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hBMSCs）的粘附、增殖、骨架鋪展和凋亡情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻有羥基磷灰石的支架材料(P/HA和P/HA/H組) 表現(xiàn)出良好的細(xì)胞相容性，干細(xì)胞在其表面有更好的鋪展和增殖。成骨分化試驗(yàn)表明，含羥基磷灰石的兩組支架材料表現(xiàn)出了更顯著的成骨活性，且支架表面接枝的HACC對(duì)支架的成骨性能無不利影響（圖4）。

同時(shí)，研究人員還利用生物發(fā)光金葡菌建立了動(dòng)物皮下感染模型，實(shí)時(shí)、持續(xù)觀察了各組支架表面負(fù)載細(xì)菌在體內(nèi)的生長(zhǎng)情況，發(fā)現(xiàn)支架表面接枝HACC后，可有效抑制皮下植入物感染的進(jìn)展，發(fā)揮了較好的體內(nèi)抗菌活性（圖5）。進(jìn)一步的組織學(xué)分析顯示，表面接枝了HACC的支架孔隙內(nèi)的膿性病灶、炎性細(xì)胞浸潤(rùn)、炎性纖維化和細(xì)菌殘留等均要顯著低于其余兩組，表明負(fù)載有HACC的復(fù)合多孔支架能有效發(fā)揮體內(nèi)抗菌性能。

綜上所述，該研究中制備的復(fù)合支架能顯著抑制細(xì)菌粘附和生物膜形成，進(jìn)而有效阻止感染的發(fā)生和發(fā)展；同時(shí)還能促進(jìn)干細(xì)胞的粘附、增殖、骨架鋪展和成骨分化，具有良好的細(xì)胞和組織相容性。課題組近期還完成了高感染風(fēng)險(xiǎn)原位骨缺損修復(fù)動(dòng)物模型的研究，證實(shí)此抗菌支架可以促進(jìn)大鼠股骨感染性骨缺損的修復(fù)。

作者：楊穎，合作對(duì)象包括華東理工大學(xué)張洪波教授、香港中文大學(xué)秦嶺教授、瑞士AO研究所Geoff Richard教授等團(tuán)隊(duì)。
來源：骨科在線