深圳先進(jìn)院賴毓霄組Biomaterials | 低溫沉積3D打印含鎂支架，用于骨肉瘤術(shù)后治療

來源：上普生物

近期，來自中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院賴毓霄研究員與秦嶺教授課題組在Biomaterials發(fā)表了文章題為“Multifunctional Magnesium Incorporated Scaffolds by 3D-Printing for Comprehensive Postsurgical Management of Osteosarcoma”，采用低溫沉積3D打印工藝，設(shè)計(jì)了一種多功能 PLGA/Mg 多孔支架，用于 OS 的綜合術(shù)后管理。

骨肉瘤 (OS) 是最常見的原發(fā)性惡性骨腫瘤，起源于骨間充質(zhì)細(xì)胞。它的特點(diǎn)是增殖的腫瘤細(xì)胞直接形成未成熟的骨或類骨質(zhì)組織。OS通常發(fā)生于兒童或青少年，占所有兒童腫瘤的5～6%。

目前，OS的臨床治療模式是手術(shù)干預(yù)與放化療相結(jié)合，手術(shù)切除不可避免地會導(dǎo)致形成廣泛的骨缺損，一些殘留的腫瘤細(xì)胞會留在缺損區(qū)域。這些殘留的腫瘤細(xì)胞有很大的局部復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。同樣，術(shù)后放化療仍存在一些弊端，如殘留癌細(xì)胞清除效率低、副作用大等。同時(shí)，廣泛的骨缺損、化療/放療引起的免疫力低下、感染和供血不暢都會給缺損愈合帶來嚴(yán)重問題。

因此，開發(fā)兼具清除殘留癌細(xì)胞、抑制腫瘤復(fù)發(fā)和骨再生能力雙重功能的新型生物材料對修復(fù)手術(shù)引起的大面積缺損具有重要意義。
為了解決這些問題，本研究設(shè)計(jì)了一種多功能 PLGA/Mg 多孔支架，用于 OS 的綜合術(shù)后管理。PLGA/Mg 復(fù)合支架具有幾個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)：
（1）充分利用Mg離子的多種功能性，以滿足OS術(shù)后管理。完整的Mg顆粒對腫瘤根除具有良好的光熱效應(yīng)，釋放出的Mg離子可以促進(jìn)骨再生，從而賦予PLGA/Mg支架抑制OS復(fù)發(fā)和依次修復(fù)骨缺損的雙重功能；
（2）采用低溫沉積3D打印技術(shù)（LT-RP）制備具有仿生分層多孔結(jié)構(gòu)的支架，在結(jié)構(gòu)上促進(jìn)骨再生；（點(diǎn)擊鏈接了解低溫沉積3D打印技術(shù)：硬核技術(shù)| 低溫沉積生物3D打�。阂豁�(xiàng)滴水成冰的秘技）
（3）PLGA/Mg 支架具有優(yōu)異的生物降解性和生物相容性，在臨床轉(zhuǎn)化方面具有廣闊的前景。
（4）PLGA/Mg 支架在近紅外激光照射下完全抑制腫瘤復(fù)發(fā)，并有效修復(fù)骨缺損體內(nèi)。

研究主要成果
3D打印支架的制造和表征：團(tuán)隊(duì)使用低溫沉積3D打印工藝制造具有不同鎂含量的 PLGA/Mg 復(fù)合支架，通過低溫沉積技術(shù)（點(diǎn)擊鏈接了解技術(shù)：硬核技術(shù)| 低溫沉積生物3D打印：一項(xiàng)滴水成冰的秘技），支架具有具有良好互連的宏觀+微觀孔隙，支架的這種分層多孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了小梁松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的效果。并且，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明摻入鎂顆�？梢源蟠筇岣叨嗫字Ъ艿臋C(jī)械強(qiáng)度。

PLGA/Mg支架的降解和光熱性能：在降解 28 天后，P10M 和 P5M 支架的機(jī)械強(qiáng)度仍可保持高于 PLGA 支架。所有支架在室溫至 200 攝氏度的溫度范圍內(nèi)幾乎沒有觀察到重量損失，表明支架在以下光熱應(yīng)用中具有良好的熱穩(wěn)定性。

PLGA/Mg 支架的體外細(xì)胞測試：結(jié)果表明，PLGA/Mg 支架具有非常有效的光熱效應(yīng)，可以有效殺死腫瘤細(xì)胞。通過細(xì)胞增殖研究，PLGA 和 P10M 支架上的 MC 3T3-E1 細(xì)胞顯示出非常高的細(xì)胞融合度和完整的形態(tài)�？傊�，P10M 支架的這些多管齊下的作用可以有效地破壞 Saos-2 細(xì)胞，同時(shí)最大限度地減少對相鄰正常細(xì)胞的不利影響。

體內(nèi)術(shù)后腫瘤復(fù)發(fā)抑制研究：通過進(jìn)行小鼠體內(nèi)抗腫瘤實(shí)驗(yàn)，結(jié)果有力地表明，P10M 支架介導(dǎo)的光熱療法和腫瘤微環(huán)境調(diào)節(jié)作用的組合作用可以有效抑制 OS 的術(shù)后復(fù)發(fā)。

體外成骨分化和礦化機(jī)制：通過骨分化與礦化研究，研究者認(rèn)為支架通過 AKT 和 β-catenin 途徑誘導(dǎo)成骨分化，隨后增加了相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和成骨行為。

新骨小梁和皮質(zhì)骨形成：支架有利于骨組織從支架外圍向內(nèi)部生長。這歸因于支架的互連大孔結(jié)構(gòu)和支架釋放的鎂離子，這促進(jìn)了骨細(xì)胞從邊緣向中心的遷移，并在鎂離子存在下加速了原位生物礦化。此外對于骨小梁，術(shù)后 4 周和 8 周，骨礦物質(zhì)密度（BMD，P<0.001）、骨體積百分比（BV/TV，P<0.001）和骨小梁數(shù)量（Tb.N，P<0）顯著升高。此外，二維分析也證明P10M組骨小梁厚度明顯高于對照組和PLGA組。同時(shí)，對于周邊的皮質(zhì)骨區(qū)域，P10M組也有顯著較高的平均總截組織面積率。這些都證明，支架由于其優(yōu)異的成骨和骨整合能力，可以有效促進(jìn)骨再生并在缺損區(qū)域形成更好的新骨組織的骨連接。

組織學(xué)分析：基于染色圖像，在所有組中都沒有發(fā)現(xiàn)明顯的炎癥。術(shù)后 4 周和 8 周，對照組缺損區(qū)以纖維組織為主，新骨形成較少。PLGA組未見明顯的新骨形成，僅在缺損區(qū)觀察到一些骨樣組織。與此形成鮮明對比的是，當(dāng)用 P10M 支架填充缺陷時(shí)，染色檢測到大量富含膠原蛋白的細(xì)胞外基質(zhì)，表明形成了大量新骨。這些結(jié)果證明，P10M支架可以顯著促進(jìn)體內(nèi)骨形成，從而實(shí)現(xiàn)骨缺損的有效治療效果。

文章總結(jié)
研究通過低溫沉積3D打印技術(shù)構(gòu)建了PLGA/Mg復(fù)合支架，用于OS的綜合術(shù)后治療。支架成分簡單，但表現(xiàn)出優(yōu)異的雙重功能。在近紅外激光照射下，通過光熱效應(yīng)和腫瘤微環(huán)境調(diào)節(jié)，支架可以完全根除殘留的腫瘤細(xì)胞。通過新穎的低溫沉積3D打印技術(shù)，將鎂和仿生多孔結(jié)構(gòu)在成骨方面的獨(dú)特優(yōu)勢創(chuàng)造性地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了出色的骨缺損修復(fù)效果�？紤]到支架在抑制腫瘤復(fù)發(fā)、促進(jìn)骨再生方面的強(qiáng)大能力以及組件的良好生物相容性，此創(chuàng)新型支架有望轉(zhuǎn)化為 OS 術(shù)后治療的多功能臨床應(yīng)用。