王翀/唐毓金、劉佳：低溫3D打印雙遞送支架改善骨再生與增強(qiáng)血管化

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首先，研究人員通過(guò)低溫3D打印含有成骨肽(OP)的復(fù)合乳液，制備了具有平衡的骨導(dǎo)電性/骨誘導(dǎo)性的定制骨組織工程支架。然后將含有I型膠原蛋白水凝膠的血管生成肽(AP)包覆在支架表面，進(jìn)一步提高支架的血管生成能力（圖1)。又采用數(shù)碼圖像和掃描電鏡（SEM）觀測(cè)了支架的表面形態(tài)，對(duì)支架的力學(xué)性能也能進(jìn)行了評(píng)價(jià)（圖2）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知支架的抗壓強(qiáng)度和彈性模量與人類松質(zhì)骨相當(dāng)。由此說(shuō)明支架的機(jī)械性能適合于修復(fù)/再生缺損骨組織。

圖1 3D打印AP和OP支架的制備示意圖

圖2 3D打印支架的微觀形貌及其力學(xué)性能評(píng)價(jià)

隨后，研究人員對(duì)雙肽傳遞支架的體外釋放和降解行為進(jìn)行了研究（圖3），發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致OP從微孔向測(cè)試液的擴(kuò)散延遲的原因是，由于I型膠原水凝膠涂層在OP/TCP/PLGA支架表面的屏障作用，還發(fā)現(xiàn)支架具有足夠的穩(wěn)定性來(lái)承擔(dān)長(zhǎng)期骨再生的支撐作用。

圖3 雙肽傳遞支架的體外釋放和降解行為

接著，研究人員對(duì)支架的血管生成能力與成骨分化能力進(jìn)行了檢測(cè)（圖4、圖5）。通過(guò)支架體外生物實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明了AP的快速釋放是加速大鼠內(nèi)皮細(xì)胞（EC）遷移的關(guān)鍵因素且能夠促進(jìn)EC管的形成，由此促進(jìn)血管的生成；以大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(rBMSCs)為模型細(xì)胞，研究支架的體外成骨能力。研究表明支架的生物相容性良好，促進(jìn)rBMSCs的成骨分化性能良好，AP和OP的雙重釋放對(duì)rBMSC的礦化性能良好且具有協(xié)同作用。

圖4 支架的血管生成能力

圖5 支架的成骨分化能力

研究人員還進(jìn)行了大鼠顱骨缺損的體內(nèi)再生實(shí)驗(yàn)（圖6），以驗(yàn)證AP和OP雙重輸送的支架是否對(duì)骨組織再生有任何有利的影響。實(shí)驗(yàn)相比之下，TVB支架在顱骨缺損的骨再生方面有很大的提高，缺損邊界與支架之間的間隙被新生的骨組織填充；TVB支架誘導(dǎo)的BV/TV比和BMD值最高，這可能與AP和OP釋放誘導(dǎo)的血管生成和成骨的協(xié)同作用有關(guān)。

圖6 大鼠顱骨缺損的體內(nèi)再生實(shí)驗(yàn)

最后，研究人員通過(guò)Masson三色染色對(duì)大鼠顱骨缺損再生組織進(jìn)行組織學(xué)分析(圖7)。研究表明TVB支架誘導(dǎo)不僅改善了新骨的形成，而且還促進(jìn)了直徑更大的血管的再生，說(shuō)明AP和OP雙傳遞的定制骨組織工程支架是實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)骨組織再生和所需血管化的優(yōu)越平臺(tái)。

圖7 不同支架植入后3個(gè)月大鼠顱骨缺損再生組織的Masson三色染色組織學(xué)評(píng)價(jià)

綜上所述，上述研究通過(guò)低溫3D打印含OP的復(fù)合墨水，再包覆含I型膠原的AP水凝膠，成功生產(chǎn)出具有雙肽遞送能力的定制骨組織工程支架。雙遞送支架的機(jī)械結(jié)構(gòu)類似于人類松質(zhì)骨，可以實(shí)現(xiàn)由AP快速釋放和OP持續(xù)釋放組成的連續(xù)肽釋放。雙肽傳遞支架不僅能促進(jìn)體外血管生成，還能促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞體外成骨分化。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙肽傳遞支架既能促進(jìn)大鼠顱骨缺損新骨形成，又能促進(jìn)再生組織血管形成。

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https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2020.07.007