浙江大學(xué)：3D打印分層三維移植體用于顱面骨的功能修復(fù)

來源：高分子科學(xué)前沿

在臨床上，顱面骨缺陷通常是采用骨移植的方式進(jìn)行治療。為了避免自體移植和異體移植的缺點，如供體部位的發(fā)病率和疾病傳播的風(fēng)險，近年來，造骨異體移植（Bio-Oss）變得越來越流行。大多數(shù)人工骨移植材料主要采用的是羥基磷灰石材料，這也導(dǎo)致很多異種移植物表現(xiàn)出延遲降解，阻礙了新骨的生長，延長了骨愈合。更嚴(yán)重的問題是新骨的質(zhì)量與原生骨不同，利用這種方式誘導(dǎo)產(chǎn)生的新骨沒有典型的殼狀皮質(zhì)和網(wǎng)狀松質(zhì)骨，而是充滿顆粒的骨塊。對于顱面骨，尤其是頜骨，具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)支持牙齒的健康生理功能，在利用這一治療技術(shù)再生新骨應(yīng)特別考慮到這一點。

松質(zhì)骨是多孔的，內(nèi)部有板狀或棒狀結(jié)構(gòu)。這些物理結(jié)構(gòu)確保了內(nèi)皮細(xì)胞的形成和生物礦化。為了設(shè)計出更多的仿生骨構(gòu)造，人們采用了各種方法，特別是3D打印技術(shù)來模仿自然結(jié)構(gòu)，包括模仿松質(zhì)骨的三周期最小表面（TPMS）骨支架或分層多孔結(jié)構(gòu)支架、模仿長骨組織的具有皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)的支架，以及具有綜合層次結(jié)構(gòu)的Haversian骨模仿構(gòu)造。但是，現(xiàn)有的生物仿生支架相關(guān)研究主要是針對長骨設(shè)計的，對于顱面骨重建的研究很少。此外，原生牙槽骨結(jié)構(gòu)與其咀嚼功能有密切關(guān)系，但現(xiàn)有的研究更多地集中在新骨塊的增生上，旨在通過自然組織修復(fù)重建健康的機(jī)械咀嚼功能的研究還未見報道。

為填補(bǔ)這一領(lǐng)域的空白，浙江大學(xué)謝志堅團(tuán)隊、唐�？祱F(tuán)隊、賀永團(tuán)隊合作聯(lián)合提出了一種基于明膠甲基丙烯酰（GelMA）分層的三維移植物，用于重建顱面骨的自然結(jié)構(gòu)和健康的生物功能重建。他們開發(fā)了一種有機(jī)無機(jī)納米墨水，其中含有超小磷酸鈣低聚物和骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP-2），用于新骨生長在時間和空間上的引導(dǎo)。利用高分辨率投影的3D打印技術(shù)，賦予支架以仿生的層次結(jié)構(gòu)，包括一個包含Haversian系統(tǒng)的皮質(zhì)層和一個相互連接的多孔海綿層，并且在這兩層中加載了不同濃度的生物活性因子，以便以梯度密度再生新骨。該移植體在體外表現(xiàn)出良好的成骨和血管生成潛力，在體內(nèi)加速了血管再生并重建了具有原始形態(tài)的新骨。受益于這樣的天然結(jié)構(gòu)，負(fù)載力被均勻分散，減少了插入的牙齒種植體周圍的應(yīng)力集中。該工作以題為“A Hierarchical 3D Graft Printed with Nanoink for Functional Craniofacial Bone Restoration”的文章發(fā)表于Advanced Functional Materials上。

分層三維骨移植體的設(shè)計和制造

受原生顱面骨微觀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，使用SolidWorks設(shè)計了一個模仿皮層的、貫穿整個Haversian系統(tǒng)的層，以及一個類似海綿的多孔層。在皮質(zhì)模型中，通道的直徑被設(shè)計為500微米，這有利于內(nèi)皮細(xì)胞的生長和血管的形成在松質(zhì)層中，TPMS結(jié)構(gòu)被廣泛證明在骨組織工程中具有良好的生物學(xué)性能和可控的機(jī)械性能，在該工作中設(shè)計為平均孔徑為400微米，通道和孔隙的壁厚為200 μm，這是有效輸送營養(yǎng)和氧氣擴(kuò)散的有限距離。兩層都是在導(dǎo)入基于投影的3D打印機(jī)后分別制作的，然后通過在界面上方可交聯(lián)GelMA前體來組裝一個仿生支架。由此，通過基于投影的3D打印技術(shù)，成功地制造了一種受天然骨微結(jié)構(gòu)啟發(fā)的分層移植體。

用有打印的墨水主要采用可交聯(lián)GelMA前體作為基底。用于基于投影的3D打印的墨水在打印過程中應(yīng)該足夠均勻和穩(wěn)定。因此，在該工作中采用平均直徑為1.4±0.38納米的超小磷酸鈣低聚物（CPO），所形成的墨水穩(wěn)定性較使用傳統(tǒng)的無定形磷酸鈣（ACP）更高。為了評估在暴露于405納米的光線下液體和固體的轉(zhuǎn)變，測試不同含量的CPO（0%、5%、10%和20%）的流變性質(zhì)。溶膠/凝膠過渡點（G′=G″）隨著CPO含量的增加而增加，這意味著交聯(lián)效率可能受到影響，但仍在可接受的范圍內(nèi)。通過優(yōu)化，確定使用20%含量的COP作為打印墨水。為了實現(xiàn)骨誘導(dǎo)生長，一些試劑如BMP-2也被添加進(jìn)墨水中。

分層三維骨移植體的實際應(yīng)用

顱面骨的梯度密度具有生理意義，高度礦化的皮質(zhì)骨可以抵抗外力，支持牙齒/種植體的功能，低密度的松質(zhì)骨可以分配咀嚼力。初步實驗顯示，新骨的密度與CPO的含量有很大的關(guān)系。因此，在這項工作中，不同濃度的BMP-2和CPO被應(yīng)用于仿生移植中，目的是誘導(dǎo)具有自然梯度密度的快速新骨形成。作為對照，相同濃度的納米墨水被用來制造沒有微結(jié)構(gòu)的塊狀支也被設(shè)計和制造。在下頜骨矩形缺陷的兔子植入移植體，以測試分層生物仿生移植物的內(nèi)在血管生成和成骨潛力，并將結(jié)果與未處理的對照組進(jìn)行比較。首先進(jìn)行顯微CT掃描以觀察新骨形成。術(shù)后6周，用仿生支架處理的缺損處表現(xiàn)出更厚的皮質(zhì)骨和更強(qiáng)的骨小梁，在第12周繼續(xù)形成結(jié)構(gòu)良好的新骨，表面形成連續(xù)的皮質(zhì)骨，內(nèi)部有粗大的編織骨。這種結(jié)構(gòu)與原生下頜骨的結(jié)構(gòu)相當(dāng)相似。與對照組相比，含有生物活性因子的塊狀移植物促進(jìn)了骨的形成，其密度和體積明顯增加；但是，塊狀結(jié)構(gòu)阻礙了細(xì)胞的浸潤，從而減緩了降解率，影響了新骨組織的生長。因此，在6周和12周時，大量的塊狀移植物仍然存在，周圍有異常的新骨質(zhì)再生。

小結(jié)：該文報道了了一種均勻的有機(jī)-無機(jī)納米墨水，將BMP-2和超小的CPO納入GelMA前體中。通過基于投影的3D打印方法，用所得到的納米墨水構(gòu)建了一個分層的支架，其中有包含Haversian系統(tǒng)的皮質(zhì)層和具有TPMS結(jié)構(gòu)特征的松質(zhì)層。這種支架具有良好的生物相容性，在體外具有很強(qiáng)的成骨和血管生成能力，兔顱骨缺損修復(fù)模型證實，伴隨著快速的血管再生，仿生移植體誘導(dǎo)出結(jié)構(gòu)良好的全厚新骨。更重要的是，有限元分析結(jié)果表明，這種分層移植所誘導(dǎo)的新形成的具有自然組織的骨，有利于發(fā)揮生物功能，使集中在植入物周圍的應(yīng)力降低，負(fù)荷分擔(dān)區(qū)域擴(kuò)大。這種設(shè)計理念為開發(fā)以功能為導(dǎo)向的三維移植體提供了新的見解，目的是在臨床應(yīng)用中產(chǎn)生更好的功能效果。