EFL團隊：3D打印皮質(zhì)--松質(zhì)一體化的功能性頜面骨

來源：EngineeringForLife

隨著人們生活水平的日益提高，越來越多的牙齒缺失的患者更傾向于種植義齒修復缺失牙，因其不僅能理想地恢復美觀，還能重建近似天然的咀嚼功能。然而，在臨床上，超過一半的患者需在種植手術(shù)前行骨移植手術(shù)，以獲得充足的骨量來支撐種植體承受的咬合力，保障遠期療效。目前臨床最主流的策略為骨移植材料的植入，然而，大多骨移植物為羥基磷灰石類材料，降解極為緩慢，阻礙了新生骨向缺損區(qū)爬行，因而無法重建近似天然頜骨微結(jié)構(gòu)的新生骨組織。天然頜骨組織，包括外層較高密度的皮質(zhì)骨和內(nèi)部較低密度的松質(zhì)骨，其中高密度皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)能承受咀嚼應力，并將其傳遞至更廣泛的松質(zhì)骨，而密度較低的松質(zhì)骨則能進一步的分散應力。因此，頜骨的特殊解剖位置及復雜的咀嚼功能賦予了其特殊微結(jié)構(gòu)，在修復顱頜面骨缺損的自然形態(tài)的同時，重建天然頜骨微結(jié)構(gòu)有助于咀嚼功能的恢復，具有重要的生理意義。

近日，浙江大學醫(yī)學院附屬口腔醫(yī)院謝志堅教授團隊與浙江大學化學系唐睿康教授團隊、機械工程學院賀永教授團隊合作，通過重建具有生理功能的頜骨組織，為以功能為導向的組織重建提供了新思路。相關(guān)研究“A Hierarchical 3D Graft Printed with Nanoink for Functional Craniofacial Bone Restoration”發(fā)表于《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202301099），浙江大學謝志堅教授、唐�？到淌谂c賀永教授為該論文的通訊作者，浙大醫(yī)學院附屬口腔醫(yī)院博士生史洋、主治醫(yī)師石玨，浙大機械工程學院博士孫元及浙大化學系碩士生劉琪琪為共同一作。

1. 仿生骨支架的構(gòu)建和性能探索

首先，研究人員深入剖析了頜骨組織的微觀結(jié)構(gòu)，從宏觀角度看，頜骨擁有典型的皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)，皮質(zhì)骨含哈弗氏系統(tǒng)保證著血液營養(yǎng)供應，松質(zhì)骨則為沿咬合力方向分布的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，支撐并分散著咀嚼應力的同時，維持頜骨快速的代謝活動。從微觀角度看，骨再生過程中涉及炎癥階段、骨形成階段和骨礦化成熟階段，其中間充質(zhì)干細胞的有效成骨向分化和骨基質(zhì)的快速礦化是最為核心的再生過程。因此，受到骨再生序列事件中理化調(diào)控因素的啟發(fā)，研究人員通過將骨形成蛋白和前期研發(fā)的納米級磷酸鈣加入到墨水中，獲得了一種新型功能化納米墨水，同時設計含有哈弗氏脈管系統(tǒng)的皮質(zhì)骨和三周期最小曲面為基本結(jié)構(gòu)單元的多孔狀松質(zhì)骨，利用光固化3D打印技術(shù)制造了具有天然頜骨微結(jié)構(gòu)的仿生骨支架，以期通過支架作為模板，新生骨組織在該模板上爬行替代，重建能理想承受并分散咬合應力的頜骨組織，為恢復正常的咀嚼功能奠定基礎。

圖1 仿生骨支架的構(gòu)建和打印性能探索

2. 有機無機復合水凝膠的理化性能探索

磷酸鈣的超小尺寸（≈ 1 nm）使得其能與主體墨水之間產(chǎn)生配位鍵，獲得有機無機復合納米墨水，掃描電子顯微鏡和元素分布圖結(jié)果顯示該有機無機復合水凝膠表面光滑，未出現(xiàn)明顯的顆粒感，進一步證實有機墨水和無機磷酸鈣之間達到理想的融合，該融合不僅使得復合體系的力學性能和降解性能可調(diào)，同時也進一步延緩了載入體系內(nèi)的生物活性因子的釋放，為其發(fā)揮更理想的生物學功能提供有利條件。

圖2 有機無機復合水凝膠的理化性能表征

3. 有機無機復合水凝膠的成骨功能探索

為實現(xiàn)天然頜骨皮質(zhì)-松質(zhì)樣密度梯度骨組織的誘導，在墨水體系中載入不同濃度的生物活性分子骨形態(tài)蛋白和納米級磷酸鈣材料，體外成骨相關(guān)功能實驗證明其成骨活性具有濃度依賴性，為體內(nèi)誘導密度梯度新生骨組織提供前提條件。

圖3 有機無機復合水凝膠的成骨活性具有濃度依賴性

4. 骨髓間充質(zhì)干細胞上清促進內(nèi)皮細胞血管化

骨髓間充質(zhì)干細胞培養(yǎng)體系的ELISA結(jié)果顯示，上清中存在高濃度的血管內(nèi)皮生長因子，因此，研究人員嘗試將其上清共培養(yǎng)人臍靜脈內(nèi)皮細胞，結(jié)果顯示其不僅能誘導內(nèi)皮細胞的血管形成功能，且該誘導能力也呈一定程度的濃度依賴性。

圖4 骨髓間充質(zhì)干細胞上清液促進內(nèi)皮細胞血管化

5. 有機無機復合水凝膠成骨機制探索

RNA-Seq結(jié)果進一步揭示該復合水凝膠能上調(diào)多個成骨功能相關(guān)基因表達，GO分析顯示多個成骨相關(guān)生物學過程激活，KEGG結(jié)果顯示ECM-receptor interaction、PI3K-AKT信號通路和focal adhesion通路富集。其中，表達上調(diào)最為顯著的基因ITGA10同時也是上述信號通路的上游。因此，ITGA10/PI3K/AKT可能為該有機無機復合水凝膠促進成骨的潛在機制。

圖5 有機無機復合水凝膠誘導成骨的機制探索

6. 體內(nèi)實驗成骨功能探索

家兔頜骨缺損模型證實，該仿生骨支架能高效誘導新骨的生理性重建，且降解速度與再生速度匹配。與口腔臨床最主流的骨修復產(chǎn)品Bio-Oss骨粉相比，后者誘導的新骨組織雖然密度較高，但缺乏典型的皮質(zhì)-松質(zhì)樣密度梯度結(jié)構(gòu)，不利于生理性咀嚼功能的發(fā)揮和應力傳遞。

圖6 仿生骨支架修復家兔頜骨的影像學結(jié)果

圖7 仿生骨支架修復家兔頜骨的組織學結(jié)果

7. 有限元分析模擬咀嚼應力

通過有限元分析于新生骨組織區(qū)域模擬植入種植體，Bio-Oss骨粉誘導的致密性骨團塊在負載生理性咀嚼力時出現(xiàn)了種植體周圍的應力集中，而仿生骨支架誘導的近似天然的新生組織使得應力能在皮質(zhì)骨的介導下分散至更為廣泛的松質(zhì)骨區(qū)域，降低了種植體周圍的平均應力，為其行使正常咀嚼功能、確保遠期治療效果提供了結(jié)構(gòu)基礎。

圖8 模擬頜骨天然咀嚼功能下新骨應力分布的有限元分析

綜上，該項工作提出從多維度構(gòu)建仿生體系，理想地解決了具有復雜咀嚼功能的頜骨缺損再生修復，該功能為導向的組織工程策略為功能化再生醫(yī)學提供了新思路。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adfm.202301099