四川大學(xué)華西醫(yī)院：3D打印PEEK支架與復(fù)合涂層結(jié)合，治療骨癌及進(jìn)行骨修復(fù)

來(lái)源：EFL生物打印

在骨癌的治療和相關(guān)的骨缺損修復(fù)中，提高治療效果和改善患者生活質(zhì)量的需求不斷增加，需要?jiǎng)?chuàng)新的醫(yī)療保健技術(shù)，這些技術(shù)可以徹底改變傳統(tǒng)的治療方案(侵入性手術(shù)和全身性接受抗癌藥物)。

近日，來(lái)自四川大學(xué)華西醫(yī)院骨科研究所的張力、豐干鈞和劉立岷團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)了一種逐層(LBL)組裝的黑磷納米片/殼聚糖(BP-NS/CS)多功能復(fù)合涂層，并將其沉積在3D打印的聚醚醚酮(PEEK)骨支架上，使其能夠應(yīng)用于骨肉瘤治療和骨修復(fù)（圖1）。復(fù)合涂層中的BP-NS能夠產(chǎn)生ROS和PTT，用于調(diào)節(jié)感染控制，而pH敏感的CS用作“智能”抗癌藥物(DOX)釋放平臺(tái)（圖1）。

圖1 BP-NS/CS-DOX復(fù)合涂層及其相關(guān)多功能的示意圖

▲相關(guān)研究論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110266

涂層支架材料的特性
模仿分級(jí)的孔結(jié)構(gòu)自然骨骼的一部分，作者設(shè)計(jì)了具有分級(jí)孔徑的PEEK支架,SEM表明成功制備了具有分級(jí)孔隙率(200–800微米)的磺化PEEK支架。3D打印的致密PEEK具有高得多的拉伸和壓縮模量(分別為1462.8 MPa和1179.1 MPa)。相比之下，具有梯度孔隙率的支架具有中間的拉伸和壓縮模量值(分別為537.1 MPa和323.2 MPa)。當(dāng)然，所有PEEK支架的彈性模量都在人類松質(zhì)骨模量范圍內(nèi)(0.01–3 GPa)。

圖2 支架的結(jié)構(gòu)表征

圖2表明BP-NS的最大尺寸為200 nm，厚度約為14-16 nm(圖2a-b)，DLS分析進(jìn)一步證明了這個(gè)結(jié)果(圖2c)。Zeta電位測(cè)試表明兩種物質(zhì)可以通過(guò)靜電相互作用層層組裝。

圖3 BP-NS的表征

圖3顯示了具有載藥復(fù)合涂層(即LBL/DOX-SP)的SP（磺化PEEK）支架的表征結(jié)果。SEM顯示了的橫截面視圖LBL涂層由支架內(nèi)部典型支柱上的兩層BP-NS/CS-DOX組成，EDS光譜進(jìn)一步表明了BP-NS的存在；FTIR顯示出源自CS/DOX的碳氮特征峰，進(jìn)一步證實(shí)了LBL的成功組裝。XPS表明CS和DOX之間形成了氫鍵保持其相對(duì)穩(wěn)定；原始BP-NS在1小時(shí)內(nèi)完全降解，而B(niǎo)P晶體在440小時(shí)后完全降解。將 BP-NS嵌入LBL/DOX-SP進(jìn)一步抑制了其降解率，僅在1351小時(shí)（56 天）后才實(shí)現(xiàn)總降解。

圖4 LBL/DOX支架的特性

光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)

圖4a和b顯示了LBL/DOX-SP涂層(10個(gè)雙層)在不同輻射條件下的溫度分布近紅外光譜功率密度。結(jié)果表明，支架在空氣中的溫度可在150 s內(nèi)分別達(dá)到60℃、78℃和97 ℃后保持穩(wěn)定。分別使用和不使用NIR監(jiān)測(cè)P和DOX的累積釋放（圖 5）。可以看出，由于在高溫下增強(qiáng)了擴(kuò)散效應(yīng)，NIR 可以大大增強(qiáng)P和DOX的釋放；
已知腫瘤細(xì)胞外pH和間質(zhì)液pH值分別為6.2-6.9和5.5-6.0，而健康組織的pH值為7.3-7.4，因此，在中性(pH 7.4)和酸性(pH 5.5)條件下也監(jiān)測(cè)了LBL/DOX-SP的pH響應(yīng)性藥物釋放，以模擬健康和腫瘤生理狀態(tài)微環(huán)境。結(jié)果表明，P和DOX在pH 5.5下均表現(xiàn)出增強(qiáng)的釋放，表明了良好的pH控制藥物釋放。

圖5 LBL/DOX-SP在空氣中的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)及其藥物釋放響應(yīng)

抗菌特性
作者以S. aureus和E.coli兩種典型細(xì)菌進(jìn)行抗菌特性的驗(yàn)證，在不同支架表面使用(NIR+)和沒(méi)有(NIR-)激光照射。圖6顯示P和SP支架對(duì)近紅外輻射不敏感，而CS包被的SP (CS-SP)NIR-和CS/DOX包被的SP (CS/DOX-SP) NIR-顯示出相似的殺菌率，即對(duì)金黃色葡萄球菌為 42%，對(duì)大腸桿菌為 46%。因此，材料的抗菌特性主要源于CS。

圖6 涂層支架材料的抗菌性能

體外抗癌研究
之后，作者以MG-63為模型腫瘤細(xì)胞評(píng)價(jià)LBL/DOX-SP涂層的支架的化學(xué)-PTT效率。圖7顯示了細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的具體結(jié)果，P、SP、CS-SP的細(xì)胞活力相當(dāng)（~100%）并且不依賴于激光。CS/DOX-SP NIR-和 LBL/DOX-SP NIR-的細(xì)胞活力均降低了約35%。雖然CS/DOX-SP對(duì)激光照射不敏感，但LBL/DOX-SP NIR+ 顯示細(xì)胞活力進(jìn)一步下降（降至12.2%）。在 LBL/DOX-SP NIR +中看到的最大癌癥消融效率可歸因于PPT 和化療的聯(lián)合作用。

圖7 體外抗癌效果

體內(nèi)抗癌研究
接著，作者使用異位骨肉瘤裸鼠模型評(píng)估不同支架在體內(nèi)的腫瘤消融能力。在BP的作用下，含有LBL/DOX-SP的腫瘤的溫度在2分鐘內(nèi)達(dá)到50 ℃,并在整個(gè)治療期間保持穩(wěn)定功率的激光照射（圖8）。對(duì)照組、P組、SP組、CS-SP組(NIR+/)的腫瘤體積顯示顯著增加(與第0天相比大于9倍)，而CS/DOX-SP NIR組和LBL/DOX-SP NIR組的腫瘤體積與第0天的腫瘤體積相似。LBL/DOX-SP NIR +組的腫瘤體積在第10天顯示出最大的減小(99%)。這些結(jié)果證實(shí)，化學(xué)-PPT療法可以實(shí)現(xiàn)近乎完全的腫瘤抑制（~99%），其性能可與其他高影響研究相媲美。

圖8 體內(nèi)抗癌效果

體外成骨活性

為了驗(yàn)證材料的成骨特性，作者在體外培養(yǎng)MC3T3-E1細(xì)胞。在第7天通過(guò)PCR檢測(cè)成骨相關(guān)基因(BMP-2，OPN，OCN和Runx2)的表達(dá)。如圖9所示，與SP和P相比，CS-SP、CS/DOX-SP和LBL/DOX-SP中BMP-2、OPN、OCN和Runx2的表達(dá)顯著上調(diào)，其中LBL-SP組顯示最大的上調(diào)。在第10天通過(guò)蛋白質(zhì)印跡進(jìn)一步評(píng)估成骨相關(guān)蛋白(圖9)。根據(jù)PCR結(jié)果，LBL/DOX-SP支架顯示成骨相關(guān)蛋白的最高表達(dá)水平�？傊�，LBL/DOX-SP支架能有效上調(diào)成骨相關(guān)基因和蛋白的表達(dá)。

圖9 體外成骨檢測(cè)

圖10 ALP及成骨染色檢測(cè)

體內(nèi)成骨檢測(cè)

最后，作者在大鼠中構(gòu)建臨界大小的股骨遠(yuǎn)端髁缺損模型，以評(píng)估不同支架在體內(nèi)的成骨能力。不同組的代表性顯微CT圖像見(jiàn)圖11，每組都可以看到不同程度的新骨形成和生長(zhǎng)到支架中，具體表現(xiàn)為L(zhǎng)BL/DOX-SP > CS/DOX-SP 和 CS-SP > SP > P。組織學(xué)H&E染色圖像表明LBL/DOX-SP組能夠最大程度地形成新骨，并且新骨組織牢固地錨定在支架表面，沒(méi)有碎片或炎癥細(xì)胞，新骨的連續(xù)熒光標(biāo)記進(jìn)一步證實(shí)了這些結(jié)果。結(jié)果均表明LBL/DOX-SP支架的骨再生能力最好，復(fù)合涂層顯著促進(jìn)成骨。

圖11 體內(nèi)成骨檢測(cè)

綜上，作者利用LBL技術(shù)制備了黑磷納米片/殼聚糖多功能復(fù)合涂層并沉積到3D打印的PEEK支架上。3D打印的PEEK支架基底具有模擬自然骨骼結(jié)構(gòu)的分級(jí)孔隙率，它能有效地填充骨缺損并提供所需的機(jī)械支持，同時(shí)促進(jìn)骨向內(nèi)生長(zhǎng)。LBL復(fù)合涂層可通過(guò)化學(xué)-光動(dòng)力療法有效抑制癌癥，并通過(guò)釋放活性氧來(lái)對(duì)抗術(shù)后細(xì)菌感染。這是首次開(kāi)發(fā)出多功能復(fù)合涂層來(lái)修改和增強(qiáng)3D打印PEEK支架的功能，涵蓋了骨肉瘤治療面臨的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。