上硅所：采用3D打印制備出熱狗仿生生物材料

來源：上海硅酸鹽研究所

在大自然中存在大量具有復(fù)雜多級結(jié)構(gòu)、優(yōu)異功能的物質(zhì)。模擬生物體的結(jié)構(gòu)與功能對于組織修復(fù)來說具有重要意義。傳統(tǒng)的制備技術(shù)很難實現(xiàn)生物材料的仿生多級制備，3D打印作為一種先進的技術(shù)則可以為仿生生物材料的研究提供一種新的方法。大塊骨缺損的修復(fù)一直是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)臨床上的一個挑戰(zhàn)，植入多孔生物支架是目前常用的修復(fù)大塊骨缺損的方法。由于骨組織具有多級結(jié)構(gòu)，其發(fā)揮了營養(yǎng)傳輸以及存儲的作用。然而，傳統(tǒng)的三維打印生物支架都是由實心的基元一層一層堆積而成，支架不具有多級結(jié)構(gòu)，孔隙率相對較低，且孔隙不能形成連續(xù)孔道結(jié)構(gòu)，從而限制了支架內(nèi)部的細(xì)胞擔(dān)載以及成骨。如何賦予3D打印支架多級結(jié)構(gòu)對于直寫式三維打印技術(shù)來說尤為重要。

近期，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員與常江研究員帶領(lǐng)的研究團隊在3D打印仿生生物材料研究方面取得新進展。受到熱狗面包香腸結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，該小組將3D打印技術(shù)與雙定向冰模板技術(shù)進行結(jié)合。制備出了仿熱狗結(jié)構(gòu)的3D打印支架，這種支架由空心管三維支架作為主體，內(nèi)含具有連通層狀結(jié)構(gòu)的陶瓷棒，實現(xiàn)了三維支架的多級結(jié)構(gòu)，極大的增加支架的比表面積從而提高支架內(nèi)部細(xì)胞粘附。

3D打印仿熱狗結(jié)構(gòu)支架制備以及形貌

熱狗結(jié)構(gòu)內(nèi)的火腿腸能夠提供營養(yǎng)，而支架內(nèi)部構(gòu)件熱狗結(jié)構(gòu)的生物陶瓷棒，有利于營養(yǎng)因子的擔(dān)載，從而提高細(xì)胞的分化與成骨效率。由此，3D打印支架實現(xiàn)了對熱狗從結(jié)構(gòu)到功能的模擬，體現(xiàn)了熱狗仿生的理念。這種多級結(jié)構(gòu)支架具有優(yōu)異的藥物、蛋白裝載與釋放性能，同時具有促進細(xì)胞粘附以及極大的促進成骨的效果。相關(guān)研究工作被 Advanced Science（IF：15.8）(Advanced Science，2019; DOI: 10.1002/advs.201901146)接收（該論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生李天，指導(dǎo)導(dǎo)師為吳成鐵研究員）。

3D打印仿生熱狗支架的體內(nèi)生物學(xué)分析。（a, g）空白組（b, h）空心管支架 （c, i）仿熱狗支架（d, j）載藥仿熱狗支架（f）不僅仿熱狗支架宏觀大管中出現(xiàn)了大量的新骨，同時支架的微觀層狀結(jié)構(gòu)也誘導(dǎo)產(chǎn)生了大量的新骨，顯示了仿生熱狗支架具有優(yōu)異的骨修復(fù)能力。

除此之外，近期該團隊還采用3D打印制備出仿葡萄籽功能的生物活性支架。黑色素瘤是近年來發(fā)病率不斷上升的最嚴(yán)重的皮膚癌之一。天然葡萄籽提取物含有豐富的黃酮類化合物和低聚原花青素(OPC)，受葡萄籽提取物的啟發(fā)，該團隊制備出以O(shè)PC作為光熱劑的水凝膠支架，作為黑色素瘤治療和皮膚創(chuàng)面愈合的生物活性支架材料。含OPC的水凝膠支架在近紅外激光照射下具有可控的光熱、流變和力學(xué)性。OPC水凝膠支架的光熱性能以及流變特性對近紅外激光功率密度、近紅外激光照射時間和OPC含量有一定的響應(yīng)。

此外，可以通過改變近紅外激光輻照時間來調(diào)節(jié)水凝膠的力學(xué)性能。在近紅外激光照射下，含OPC水凝膠支架迅速升溫，有效地殺死黑色素瘤細(xì)胞，抑制體內(nèi)腫瘤生長。此外，含有OPC水凝膠支架促進人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVECs)和人真皮成纖維細(xì)胞(HDFs)的粘附、增殖和遷移，并在慢性傷口中明顯促進血管生成和皮膚再生。具有良好的生物相容性和促進傷口愈合的作用，是一種用于黑色素瘤治療和傷口愈合的智能生物材料。其相關(guān)工作發(fā)表在 ACS Nano（IF：13.9）雜志上（ACS Nano 2019, 13,  4：4302-4311,該論文第一作者為上海硅酸鹽所馬紅石博士，指導(dǎo)導(dǎo)師為吳成鐵研究員）。

受葡萄籽提取物的啟發(fā)，3D打印制備出含有原花青素的水凝膠，具有智能可控的光熱性能、流變性能、力學(xué)性能，這種含有OPC的智能水凝膠支架可作為黑色素瘤治療的天然光熱劑和創(chuàng)面愈合的生物活性材料。

該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、基金委中德國際合作基金以及中科院交叉團隊等項目支持。