上海硅酸鹽研究所在3D打印生物陶瓷支架用于骨-軟骨再生方面取得進展

當前3D打印生物陶瓷支架主要用于骨組織工程，但在軟骨再生、腫瘤治療方面的研究并不多。根據(jù)中國科學院，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領(lǐng)的研究團隊在3D打印生物陶瓷支架用于骨-軟骨再生及骨腫瘤治療方面取得了系列研究進展。近期，該團隊在前期研究基礎(chǔ)上，在3D打印功能性生物陶瓷支架方面又取得了系列新進展。

骨關(guān)節(jié)炎是一種退行性關(guān)節(jié)疾病。關(guān)節(jié)炎疾病進程中，軟骨首先受到損傷，而軟骨損傷通常累及軟骨下骨，進而導致骨-軟骨缺損。由于軟骨和軟骨下骨的生物學特性不同，因此骨-軟骨一體化修復極具挑戰(zhàn)。為此，該研究團隊利用溶膠凝膠法合成多元硅酸鈣鋰(Li4Ca4Si4O13)生物陶瓷，并通過3D打印方法制備了其多孔生物陶瓷支架，得到的硅酸鈣鋰支架形貌可控、大小均一，其抗壓強度可以通過控制孔徑大小來調(diào)控。硅酸鈣鋰生物陶瓷的離子產(chǎn)物對軟骨細胞的增殖和表型的維持起積極作用，對骨髓間充質(zhì)干細胞的成骨分化起顯著的促進作用。同時，體內(nèi)研究結(jié)果表明，硅酸鈣鋰生物陶瓷支架在骨-軟骨缺損模型中成功地修復了骨-軟骨，實現(xiàn)了多離子聯(lián)合作用促進軟骨和軟骨下骨修復的效果，在骨-軟骨修復領(lǐng)域具有良好的應用前景。

相關(guān)研究成果發(fā)表于Biomaterials (2018; Doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.04.005) 雜志上，并申請發(fā)明專利一項。

在關(guān)節(jié)中骨-軟骨界面具有極其復雜精妙的微結(jié)構(gòu)，基于多種無機離子聯(lián)合促進骨-軟骨缺損修復的作用，該研究團隊設計了不僅能對骨-軟骨組織進行修復，并且能進一步對復雜的骨和軟骨的界面復雜微結(jié)構(gòu)進行修復的生物陶瓷支架，并對其機理作了深入研究。利用3D打印技術(shù)制備硅磷酸鍶生物陶瓷支架(Sr5(PO4)2SiO4, SPS)。SPS生物陶瓷穩(wěn)定釋放的Sr 和Si 離子通過協(xié)同激活缺氧誘導因子(HIF)信號通路，誘導軟骨的增殖，維持其表型；在關(guān)節(jié)炎模型軟骨細胞中，Sr 和Si 離子通過協(xié)同作用激活軟骨細胞自噬作用，抑制細胞降解代謝活動及Indian Hedgehog (IHH)信號通路保護軟骨細胞；體內(nèi)研究結(jié)果顯示，SPS 支架不僅實現(xiàn)了利用多種無機離子的共同作用對骨-軟骨組織進行雙向修復，并且成功地將修復效果延伸至極其復雜的骨和軟骨界面結(jié)構(gòu)。

目前該研究相關(guān)成果發(fā)表在Theranostics (2018;8:1940-1955.) 雜志上。

該團隊還通過化學反應的方法將具有光熱效應的CuFeSe2納米晶原位生長在具有成骨活性的生物玻璃陶瓷支架表面上，最終獲得了具有骨腫瘤消融和骨缺損修復的雙功能支架。CuFeSe2屬于硫族半導體材料中的一種，它的有效光熱轉(zhuǎn)化效率可達到82%，其組成元素Fe和Cu被報道具有很好的促進成血管和成骨的活性。體外和體內(nèi)實驗證明此雙功能支架能夠有效地通過光熱殺死骨腫瘤細胞，消融骨腫瘤組織，同時能夠有效地支持和促進骨間充質(zhì)干細胞的粘附和增殖，最終促進新骨的形成。

其相關(guān)工作發(fā)表在Biomaterials (2018, 160：92-106.) 雜志上，同時其工作被國際期刊Materials Today作為亮點工作進行了專門的新聞報道 (Scaffold material sheds light on bone tumor therapy, 5 March 2018)。

該團隊還針對治療與修復承重骨缺損的應用背景，利用3D打印技術(shù)制備出具有優(yōu)良力學強度的Fe-CaSiO3復合支架，可用于修復承重骨缺損。同時由于Fe存在表面等離子共振效應，賦予復合支架優(yōu)良的光熱性能。由于Fe離子的釋放，在腫瘤細胞內(nèi)部能與H2O2反應，生成活性氧(ROS)，從而實現(xiàn)光熱和ROS協(xié)同抗腫瘤，達到更好的骨腫瘤治療效果。同時復合支架由于具有生物活性硅酸鈣陶瓷相而保持良好的成骨活性。因此，F(xiàn)e-CaSiO3復合支架具有修復與治療承重骨腫瘤缺損的潛在應用價值。

其相關(guān)工作發(fā)表在NPG Asia Materials (2018; DOI: 10.1038/s41427-018-0015-8)雜志上。

相關(guān)研究工作得到了國家自然科學基金委中德國際合作重點項目與國家重點研發(fā)計劃的資助。

其他相關(guān)論文發(fā)表：（Advanced Functional Materials 2017, 27:1703117-1703130; Advanced Science 2017, 4:1700401-1700409; Biomaterials 2017, 135:85-95；NPG Asia Materials 2017, 9:e376-e389; Advanced Functional Materials 2016, 26:1197-1208; Biomaterials, 2016, 111:138-148等）

嚴重創(chuàng)傷、感染或腫瘤所致的大段骨缺損、骨不連一直是骨科領(lǐng)域的世界難題，目前尚缺乏安全有效的治療方法。隨著科學技術(shù)的發(fā)展進步，通過3D打印技術(shù)構(gòu)建出理化特性和外觀結(jié)構(gòu)仿生的人工骨修復材料，有望為這一世界難題提供理想的解決方案。

根據(jù)的市場觀察，世界范圍內(nèi)不僅僅是生物陶瓷，包括PLA以及PEEK扽塑料材料也被應用在骨修復領(lǐng)域。而我國在3D打印可降解骨科材料方面也頗有建樹。

2017年11月發(fā)表在《生物材料》上的文章顯示，中科院深圳先進技術(shù)研究院生物醫(yī)學與健康工程所秦嶺教授團隊的賴毓霄、王新巒等人采用先進的低溫3D打印技術(shù)，開發(fā)了一種用于修復骨缺損或骨折的多孔支架材料，將具有促成骨活性的天然植物活性小分子淫羊藿苷均勻復合入多孔支架中，通過3D打印賦予此支架最理想的促成骨仿生結(jié)構(gòu)（孔徑300－500微米），實現(xiàn)了難治愈性骨缺損的骨修復治療。

西安點云生物研發(fā)的陶瓷打印機（PCPrinter BR150)采用無絲打印技術(shù)，可根據(jù)臨床患者的骨缺損尺寸、形狀和內(nèi)部孔隙等參數(shù)，精確定制出可生物降解的理化特性和外觀結(jié)構(gòu)仿生人工骨。同時該打印機廣泛適用骨組織再生、軟組織生物結(jié)構(gòu)體和藥物控釋等材料，為生命科學、材料科學、組織工程和藥物開發(fā)等領(lǐng)域的研究者提供新的研究工具。

采用西安點云的無絲3D打印機制備的可再生人工骨，可直接將生物陶瓷復合材料在常溫或低溫下逐點逐層打印成型，所制備的人工骨，2015年已經(jīng)在西京醫(yī)院成功完成動物骨缺損修復實驗。經(jīng)系列體外體內(nèi)實驗驗證，該人工骨具有孔隙結(jié)構(gòu)仿生、機械性能好、生物相容性等特點。

來源：科學谷