四川大學(xué)張興棟院士團(tuán)隊(duì)：仿生基質(zhì)重構(gòu)3D打印梯度多孔支架再生微環(huán)境加速骨再生

來源：高分子科技

尋找理想的骨再生性植入物仍然是臨床上一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。天然骨組織的微觀結(jié)構(gòu)中，堅(jiān)實(shí)的無機(jī)成分(羥基磷灰石)主要負(fù)責(zé)支撐、保護(hù)和承重，而柔軟的有機(jī)成分（膠原纖維，多糖）在干細(xì)胞的增殖和遷移中起著重要作用。因此，有效地模擬天然骨軟硬結(jié)合的雜化的結(jié)構(gòu)與功能，有助于調(diào)控干細(xì)胞命運(yùn)來改善骨再生進(jìn)程。3D打印技術(shù)可以用于組織工程支架結(jié)構(gòu)的精確控制，特別是創(chuàng)建有序孔隙和用戶自定義結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域。然而，目前以PCL，PLA等為主的擠出式3D打印支架難以提供組織重塑過程中長(zhǎng)期穩(wěn)定的營(yíng)養(yǎng)供給，同時(shí)其表面缺乏活性配體，這會(huì)導(dǎo)致無效的細(xì)胞粘附和下游細(xì)胞事件，難以模擬骨組織再生過程所需的生理微環(huán)境。


針對(duì)以上問題，四川大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院/國(guó)家生物醫(yī)學(xué)材料工程技術(shù)研究中心孫勇研究員/樊渝江教授在前期的工作基礎(chǔ)上（Nat. Commun., 2022; Adv. Funct. Mater., 2023），利用多巴胺介導(dǎo)的化學(xué)整合，將仿生胞外基質(zhì)凝膠修飾在聚多巴胺涂層的3D打印PCL支架中，構(gòu)建了軟-硬結(jié)合的活性骨修復(fù)體（BM-g-DPCL，圖1）。該策略改善了3D打印支架植入后的再生微環(huán)境，對(duì)于成骨基質(zhì)的重塑起到重要作用。其中，梯度多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于潛在的細(xì)胞遷移和營(yíng)養(yǎng)傳質(zhì)；聚多巴胺涂覆的“硬”性PCL支架促進(jìn)鈣離子螯和及隨后的類骨質(zhì)沉積，并維持植入體的力學(xué)環(huán)境；多酚基團(tuán)化學(xué)錨定的“軟”性凝膠基質(zhì)改善再生微環(huán)境，增強(qiáng)了干細(xì)胞的粘附、增殖和成骨分化。活性骨修復(fù)體（BM-g-DPCL）加速內(nèi)源性干細(xì)胞(ESCs)募集，并啟動(dòng)了快速的血管形成（圖2）。在兔顱骨缺損模型(Φ = 10 mm)中，活性支架促進(jìn)新生組織與植入體界面融合，誘導(dǎo)新生骨基質(zhì)在支架內(nèi)部沉積（圖3）。蛋白質(zhì)組學(xué)確認(rèn)細(xì)胞因子粘附、生物礦化沉積、快速血管化及促進(jìn)胞外基質(zhì)形成是加速骨缺損愈合的主要因素（圖4）。這種仿生的軟硬組分高度化學(xué)鍵和的策略提供了無細(xì)胞/無因子的組織工程支架再生的新策略。

圖1 活性骨修復(fù)體BM-g-DPCL的構(gòu)建

圖2 仿生基質(zhì)加速rBMSCs體外遷移和體內(nèi)內(nèi)源性干細(xì)胞（ESCs）募集

圖3 兔臨界顱骨缺損的內(nèi)源性骨再生

圖4 差異的蛋白表達(dá)揭示成骨分化機(jī)制

相關(guān)研究成果以“Covalently grafted biomimetic matrix reconstructs the regenerative microenvironment of the porous gradient polycaprolactone scaffold to accelerate bone remodeling”為題于2023年2月發(fā)表在《Small》。

原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202206960