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(jìn)展

當(dāng)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(xué)院，中國科學(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(jìn)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(jìn)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(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，因此骨-軟骨一體化修復(fù)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(xì)胞的增殖和表型的維持起積極作用，對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化起顯著的促進(jìn)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(fù)了骨-軟骨，實現(xiàn)了多離子聯(lián)合作用促進(jìn)軟骨和軟骨下骨修復(fù)的效果，在骨-軟骨修復(fù)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)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(fù)雜精妙的微結(jié)構(gòu)，基于多種無機離子聯(lián)合促進(jìn)骨-軟骨缺損修復(fù)的作用，該研究團隊設(shè)計了不僅能對骨-軟骨組織進(jìn)行修復(fù)，并且能進(jìn)一步對復(fù)雜的骨和軟骨的界面復(fù)雜微結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)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(dǎo)因子(HIF)信號通路，誘導(dǎo)軟骨的增殖，維持其表型；在關(guān)節(jié)炎模型軟骨細(xì)胞中，Sr 和Si 離子通過協(xié)同作用激活軟骨細(xì)胞自噬作用，抑制細(xì)胞降解代謝活動及Indian Hedgehog (IHH)信號通路保護軟骨細(xì)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(jìn)行雙向修復(fù)，并且成功地將修復(fù)效果延伸至極其復(fù)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(xué)反應(yīng)的方法將具有光熱效應(yīng)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(fù)的雙功能支架。CuFeSe2屬于硫族半導(dǎo)體材料中的一種，它的有效光熱轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到82%，其組成元素Fe和Cu被報道具有很好的促進(jìn)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(xì)胞，消融骨腫瘤組織，同時能夠有效地支持和促進(jìn)骨間充質(zhì)干細(xì)胞的粘附和增殖，最終促進(jìn)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(jìn)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(fù)承重骨缺損的應(yīng)用背景，利用3D打印技術(shù)制備出具有優(yōu)良力學(xué)強度的Fe-CaSiO3復(fù)合支架，可用于修復(fù)承重骨缺損。同時由于Fe存在表面等離子共振效應(yīng)，賦予復(fù)合支架優(yōu)良的光熱性能。由于Fe離子的釋放，在腫瘤細(xì)胞內(nèi)部能與H2O2反應(yīng)，生成活性氧(ROS)，從而實現(xiàn)光熱和ROS協(xié)同抗腫瘤，達(dá)到更好的骨腫瘤治療效果。同時復(fù)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(fù)合支架具有修復(fù)與治療承重骨腫瘤缺損的潛在應(yīng)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(xué)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(yán)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(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)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(fù)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(yīng)用在骨修復(fù)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(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)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(jìn)的低溫3D打印技術(shù)，開發(fā)了一種用于修復(fù)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(fù)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(fù)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(xué)、材料科學(xué)、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(fù)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(fù)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(xué)谷