Bio. Mat.：3D打印近紅外響應(yīng)性SMPU/鎂支架緊密填充骨缺損促進(jìn)骨再生

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)

骨缺損患者的致殘率和畸形率很高。移植骨與缺損周邊的骨接觸不良和成骨活性不足，導(dǎo)致松動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)增加，修復(fù)效果不理想。因此，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院賴毓霄教授團(tuán)隊(duì)研制出一種由形狀記憶聚氨酯（SMPU）作為熱響應(yīng)基質(zhì)，鎂（Mg）作為光熱和生物活性成分，通過(guò)低溫快速成型（LT-RP）3D打印技術(shù)制備的近紅外響應(yīng)型支架。該支架具有均勻的多孔結(jié)構(gòu)，較強(qiáng)的力學(xué)性能和穩(wěn)定的光熱效應(yīng)。此外，該支架的促骨修復(fù)效果已通過(guò)一系列的體外和體內(nèi)研究得到證實(shí)，預(yù)期可成為一種臨床有效的骨再生策略。

此項(xiàng)3D打印支架的工作原理被描述為“3R”過(guò)程：植入后，支架在近紅外光的刺激下恢復(fù)形變，實(shí)現(xiàn)與缺損周邊骨的緊密接觸；然后緩慢釋放Mg離子，Mg離子能促進(jìn)成骨；最終，骨缺損處將被修復(fù)（圖1）。

首先，研究人員通過(guò)一步法合成基于聚己內(nèi)酯的SMPU材料，然后通過(guò)低溫快速成型（LT-RP）3D打印技術(shù)，制備了含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Mg顆粒的SMPU/Mg復(fù)合支架。以SMPU/4 wt% Mg復(fù)合支架為代表，發(fā)現(xiàn)支架在水平和垂直方向上均呈現(xiàn)出相互連通的多孔結(jié)構(gòu)（圖2a）。SEM圖像顯示，支架中的大孔直徑為600-700μm，微孔直徑為5-40μm（圖2b1）。由于分布均勻的Mg顆粒的存在，復(fù)合材料支架對(duì)應(yīng)的XRD圖譜中出現(xiàn)了2θ=36.7°的典型峰，而SMPU的XRD圖譜中沒(méi)有出現(xiàn)該峰（圖2c）。如圖2d所示，與原始SMPU（Tm=56.0 ℃）相比，在復(fù)合材料中加入Mg顆粒后，樣品的熔融溫度（Tm）有所增加，且與Mg含量呈正相關(guān)。圖2e, f結(jié)果表明，加入Mg顆粒后，復(fù)合支架的力學(xué)性能隨著Mg含量的增加而增強(qiáng)。將支架浸泡在pH=7.4的磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）溶液中12周，樣品重量無(wú)明顯變化，表明支架具有良好的穩(wěn)定性。Mg2+的累積釋放曲線（圖2g）結(jié)果表明，3D打印復(fù)合材料支架可實(shí)現(xiàn)對(duì)Mg2+的長(zhǎng)期釋放。

研究人員進(jìn)一步探究干態(tài)和濕態(tài)支架的近紅外光熱效應(yīng)，結(jié)果表明干態(tài)下支架溫度隨Mg含量和輻照時(shí)間的增加而升高，且在前60 s有較大的漸變速率（圖3a1）。濕態(tài)支架的光熱效應(yīng)與干態(tài)支架的光熱效應(yīng)趨勢(shì)相同（圖3a2）。研究人員通過(guò)近紅外激光打開（關(guān)閉）循環(huán)實(shí)驗(yàn)，證明了SMPU/4 wt%Mg支架具有良好的光熱穩(wěn)定性（圖3a3）。此外，研究人員還探究了遠(yuǎn)端近紅外光觸發(fā)對(duì)支架形狀記憶的影響（圖3b和c）。為了量化支架的形狀記憶特性，記錄并測(cè)量了支架高度的變化（圖3f）。如圖3g所示，由于沒(méi)有NIR響應(yīng)特性，SMPU支架沒(méi)有恢復(fù)應(yīng)力，而SMPU/4 wt% Mg支架的恢復(fù)應(yīng)力為27.5 kPa。此外，由于形狀恢復(fù)效應(yīng)，支架在近紅外光的作用下可以舉起100 g的重物，這超過(guò)了支架自身重量的1700倍（圖3h）。這些結(jié)果證明，3D打印SMPU/Mg支架具有良好的NIR響應(yīng)性能和支撐能力，這與Mg粒子光熱效應(yīng)和SMPU的熱響應(yīng)性有關(guān)。

研究人員觀察3D打印支架對(duì)MC3T3-E1細(xì)胞活力和增殖的影響。圖4a1為MC3T3-E1細(xì)胞通過(guò)Live/Dead染色法與不同樣品孵育3天的熒光圖像，各組細(xì)胞均表現(xiàn)出較好的存活率和增殖。ALP染色結(jié)果（圖4b1）顯示骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在成骨分化過(guò)程中持續(xù)分泌ALP。與對(duì)照組和SMPU組相比，含Mg復(fù)合組，尤其是SMPU/4 wt% Mg組的ALP活性顯著升高（圖4b3）。此外，研究人員還通過(guò)ARS染色法對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞與不同樣品培養(yǎng)過(guò)程中鈣結(jié)節(jié)的形成情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。如圖4b2所示，礦化結(jié)節(jié)在18天后成功沉積。用qPCR檢測(cè)培養(yǎng)3 d、7 d和14 d的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞Runx2和OST基因的表達(dá)，結(jié)果也證實(shí)了SMPU/4% Mg支架具有促進(jìn)干細(xì)胞成骨分化的作用。

研究人員進(jìn)一步評(píng)價(jià)了3D打印支架的體內(nèi)骨再生潛能。SMPU/4 wt% Mg支架在植入過(guò)程中的形狀記憶行為如圖5a所示。制造小鼠顱骨缺損，然后用壓縮的SMPU/4 wt% Mg支架填充。較小尺寸的支架更便于植入缺陷部位。隨后，用808 nm，2 W cm-2的近紅外光照射顱骨缺損處60分鐘后，支架恢復(fù)到原有的多孔結(jié)構(gòu)。通過(guò)推出試驗(yàn)研究支架與缺損周邊骨的緊密接觸性能和修復(fù)后缺損的生物力學(xué)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于復(fù)合支架的緊密接觸和Mg2+的釋放促進(jìn)了骨修復(fù)（圖5b2和5b3）。為了快速分析3D打印支架植入后的緊密接觸能力，采用有限元分析方法。將植入骨部位簡(jiǎn)化為骨缺損-支架模型，如圖5c1和5c2所示，將支架視為壓縮形狀。由于沒(méi)有光熱效應(yīng)，原始SMPU支架的Rr為0.05%，而SMPU/4 wt% Mg支架的Rr為95.4%。

Micro-CT三維重建圖像如圖6a1所示。與空白組（無(wú)支架）和SMPU支架組相比，SMPU/4% Mg支架填充的顱骨缺損在各時(shí)間點(diǎn)有更多的新生骨，尤其是在12周時(shí)。定量分析如圖6a2和6a3所示，與空白組相比，SMPU支架組在各時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)均有改善，這可能意味著具有分級(jí)宏微孔結(jié)構(gòu)的支架能夠促進(jìn)骨再生。SMPU/4% Mg支架組在植入后4、8、12周時(shí)BMD和BV/TV均明顯高于空白組和SMPU組。此外，定量分析小梁數(shù)目（Tb.N）、小梁分離（Tb.Sp）、小梁厚度（Tb.Th）（圖6b1-b3）證實(shí)了SMPU/4% Mg支架組較空白組和SMPU組有改善。H&E染色結(jié)果顯示，與空白組和原始SMPU組相比，SMPU/4 wt% Mg組在各時(shí)間點(diǎn)均可發(fā)現(xiàn)更多的新骨組織（圖6c1）。此外，新骨也可以在支架的孔隙中形成，特別是在含Mg的支架中，這可以Mg2+的促骨作用來(lái)解釋。缺損部位新骨組面積的定量百分比也進(jìn)一步證實(shí)了該結(jié)果（圖6c2）。

綜上所述，本研究開發(fā)了SMPU/Mg復(fù)合材料具有促骨、近紅外響應(yīng)和緊密接觸能力的3D打印支架，以解決傳統(tǒng)形狀記憶植入材料孔隙率低、響應(yīng)溫度低、力學(xué)和生物活性不理想的局限性。這種SMPU/Mg復(fù)合支架結(jié)合了SMPU、Mg成分和LT-RP 3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，最終實(shí)現(xiàn)了良好的骨再生。研究人員設(shè)想這種3D打印的骨支架有很大的臨床轉(zhuǎn)化前景。

該研究由中國(guó)科學(xué)院大學(xué)賴毓霄教授團(tuán)隊(duì)完成，并于2021年12月26日在線發(fā)表于Bioactive Materials。

論文信息：Yuanchi Zhang, Cairong Li, Wei Zhang, Junjie Deng, Yangyi Nie, Xiangfu Du, Ling Qin, Yuxiao Lai, 3D-printed NIR-responsive shape memory polyurethane/magnesium scaffolds with tight-contact for robust bone regeneration. Bioactive Materials.

Doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.12.032.