一種新型的通過(guò)免疫調(diào)節(jié)增強(qiáng)骨質(zhì)疏松癥3D打印支架

供稿人：劉穎潔 王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室


鈦合金股骨柄已廣泛應(yīng)用于人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，且取得了顯著療效。 然而，由于嚴(yán)重的骨吸收現(xiàn)象，鈦合金股骨柄在骨質(zhì)疏松癥患者中的應(yīng)用受到了限制。 目前，上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院的賈偉濤團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型的多層級(jí)生物功能化3D打印多孔Ti6Al4V支架，通過(guò)免疫治療來(lái)提升骨質(zhì)疏松癥下多孔Ti6Al4V支架的骨整合效果，如圖1所示。 支架的宏觀大孔結(jié)構(gòu)主要起機(jī)械支撐作用，微米級(jí)孔隙促進(jìn)了細(xì)胞粘附，增強(qiáng)了支架生物相容性，納米結(jié)構(gòu)通過(guò)搭載生物分子，起調(diào)控免疫細(xì)胞活動(dòng)的作用。 體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)證明了這種新型支架能與骨質(zhì)疏松骨進(jìn)行良好的骨整合。

圖1 一種多層級(jí)生物功能化3D打印多孔Ti6Al4V支架構(gòu)建示意圖

支架的宏觀孔結(jié)構(gòu)為金剛石型單胞的三周期極小曲面（TPMS）結(jié)構(gòu)，通過(guò)選擇性激光融化（SLM）3D打印技術(shù)制造，如圖2(a)所示。對(duì)打印后的支架進(jìn)行生物功能化處理，將其浸沒(méi)在不同溶液中冷凍處理一段時(shí)間，使載藥體icariin@Mg-MOF-74 (ICA@MOF)被包裹在支架類細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)結(jié)構(gòu)上，用于控制淫羊藿苷以及Mg2+離子的釋放。圖2(b)所示為裝載淫羊藿苷前后金屬有機(jī)框架（MOF）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

圖2 3D打印多孔Ti6Al4V支架。(a)不同標(biāo)尺下的支架實(shí)體圖。(b)MOF在裝載淫羊藿苷前后的SEM圖像 (c)MOF裝載淫羊藿苷過(guò)程示意圖

研究對(duì)生物功能化前后的支架進(jìn)行了壓縮彈性模量與屈服強(qiáng)度的測(cè)量，結(jié)果顯示其力學(xué)性能變化不大，表明生物功能化過(guò)程不顯著影響支架的機(jī)械行為。在支架鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（rBMSCs）體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，rBMSCs均粘附在四種不同改性方法下的Ti6Al4V支架多孔表面上，但使用了載藥體ICA@MOF支架的生物相容性最好，且具有最佳的促進(jìn)rBMSCs成骨分化的能力。為進(jìn)一步分析生物功能化多孔支架在體內(nèi)的作用機(jī)理，該研究進(jìn)行了動(dòng)物體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)，在骨質(zhì)疏松癥大鼠股骨遠(yuǎn)端髓內(nèi)植入了生物功能化多孔支架。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，支架周圍和內(nèi)部均形成大量新骨，Ti/SF/MOF/I組（使用載藥體ICA@MOF）的新骨形成量大于其余各組。實(shí)驗(yàn)分析表明生物活性化的多孔Ti6Al4V支架可以通過(guò)控制釋放淫羊藿苷和Mg2+，來(lái)抑制notch1信號(hào)通路，進(jìn)而誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞分泌抗炎細(xì)胞因子，從而顯著改善骨代謝，促進(jìn)多孔支架與骨質(zhì)疏松骨的骨整合。

圖3骨質(zhì)疏松癥大鼠股骨的骨整合CT評(píng)價(jià)。(a)微型CT的冠狀面，矢狀面，橫斷面和3D模型圖像，3D模型圖像中的紅色部分表示新骨。(b-d)CT數(shù)據(jù)的定量分析。

該研究研制了一種具有可控釋放淫羊藿苷和Mg2+功能的多層級(jí)生物功能化多孔Ti6Al4V骨植入物。研究結(jié)果表明，該多孔支架植入物能通過(guò)免疫途徑調(diào)節(jié)骨代謝，增強(qiáng)植入物與宿主骨質(zhì)疏松骨之間的骨整合，為老年骨質(zhì)疏松癥患者所使用的鈦合金股骨柄優(yōu)化提供了一種新的策略。
參考文獻(xiàn)：

    王偉，熊銀澤，趙任良，李向，賈偉濤。 一種具有增強(qiáng)骨質(zhì)疏松骨整合的新型分層生物功能化 3D 打印多孔 Ti6Al4V 支架 通過(guò)骨免疫調(diào)節(jié)。 J納米生物技術(shù)。 2022；20:68。 doi:10.1186/s12951-022-01277-0。