上海硅酸鹽所等制備出3D打印仿生蓮藕支架

臨床上，大塊骨缺損的修復(fù)是人類面臨的挑戰(zhàn)之一,，3D打印技術(shù)可以便捷的制備形狀可控的多孔支架材料,，廣泛應(yīng)用于生物材料和骨組織工程領(lǐng)域。傳統(tǒng)3D打印支架具有多孔的結(jié)構(gòu),，將材料植入缺損部位后,，營養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)胞沿著孔向內(nèi)滲入支架內(nèi)部，有利于骨組織向內(nèi)長入,，促進骨缺損的修復(fù),。然而，傳統(tǒng)3D打印支架在大塊骨缺損方面仍顯不足,。傳統(tǒng)3D打印支架由實心的基元堆疊而成,，降低了材料的孔隙率；傳統(tǒng)3D打印支架的孔隙呈階梯三維延伸狀,，并沒有形成平直的孔道狀,，在流體力學(xué)上有較強的流體阻力，不利于營養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)胞滲入支架內(nèi)部,，阻礙了修復(fù)過程中的成血管和成骨,。

受自然界啟發(fā)制備出仿生蓮藕支架用于骨組織工程。（c-g）材料制備過程

據(jù)南極熊了解,，近日,，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領(lǐng)的研究團隊，在3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)生物陶瓷用于血管化大塊骨缺月?lián)p修復(fù)方面取得新進展,。該研究團隊受到自然界中蓮藕內(nèi)部平行多通道結(jié)構(gòu)的啟發(fā),，采用3D打印制備出仿生蓮藕支架，并與上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院蔣欣泉團隊合作,，進一步發(fā)現(xiàn)該類支架相對于傳統(tǒng)3D打印支架,，具有顯著提高大塊骨缺損的修復(fù)的能力。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Science上,，并申請專利一項,。

3D打印仿生蓮藕支架理化性質(zhì)的調(diào)控。（a）不同材料的仿生蓮藕支架,，（b）不同形狀的仿生蓮藕支架和（c）不同孔道尺寸的仿生蓮藕支架,。

該研究團隊把傳統(tǒng)3D打印支架每個基元的內(nèi)部做成平行多通道結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有望促進新血管和骨組織的長入,，有利于骨缺損的修復(fù),，并重新設(shè)計了內(nèi)部共軸鑲嵌的擠壓式3D打印針頭，通過改進的3D打印制備方法,，實現(xiàn)一次性打印仿生蓮藕支架,，改進的3D打印方法能夠調(diào)控仿生蓮藕支架的物理和化學(xué)性質(zhì),。采用該方法不僅可以用各種生物陶瓷（Akermanite, Al2O3, ZrO2）、金屬Fe和高分子海藻酸鈉等多種材料制備出仿生蓮藕支架,，而且能制備出不同形狀,、孔道數(shù)目、孔道直徑的仿生蓮藕支架,。此外,，通過調(diào)控3D支架的基元堆砌方式和孔道數(shù)目，來調(diào)控該仿生蓮藕支架的孔隙率和力學(xué)強度,。該仿生蓮藕支架的最高孔隙率達(dá)到80%,，力學(xué)強度可達(dá)40MPa以上，能滿足骨缺損修復(fù)材料的要求,。

仿生蓮藕支架孔隙率和力學(xué)強度的調(diào)控,。（a）三種不同基元堆砌方式的仿生蓮藕支架，具有不同數(shù)目孔道和堆砌方式的仿生蓮藕支架的（b）孔隙率和（c）力學(xué)強度,。

　　仿生蓮藕支架的體內(nèi)生物學(xué)分析,。（a）兔子間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）在仿生蓮藕支架上的SEM照片，（c-e）細(xì)胞培養(yǎng)在支架上第3天的共聚焦顯微鏡照片,，仿生蓮藕支架的（f）細(xì)胞粘附和（g）增殖結(jié)果,。

研究團隊進一步通過選擇生物活性良好的鎂黃長石（Akermanite）陶瓷作為基體代表材料，來探究這種仿生蓮藕材料在骨組織再生工程中的性能和應(yīng)用,，分別制備了具有單孔道,、雙孔道、三孔道和四孔道的仿生蓮藕生物陶瓷支架,。體外生物學(xué)分析結(jié)果表明,，與傳統(tǒng)3D支架相比，該仿生蓮藕鎂黃長石生物陶瓷支架更有利于細(xì)胞的粘附和增殖,，并隨著通道數(shù)目的增加,，其效果越明顯增加。體內(nèi)動物實驗表明,，該仿生蓮藕生物支架提高了骨組織再生能力和成血管化效應(yīng),，有利于骨缺損的修復(fù)。與傳統(tǒng)的3D生物活性支架相比,，該3D打印仿生蓮藕生物支架更有利于營養(yǎng)物質(zhì)向支架內(nèi)部的傳輸,，引導(dǎo)細(xì)胞和組織向內(nèi)長入，從而促進前期的成血管以及后期的成骨,，提高了骨缺損的修復(fù)性能,。由于其多通道高孔隙率的結(jié)構(gòu)特點，該種材料還可以用于藥物大分子裝載,、表面功能化修飾以及催化,、能源、環(huán)境等其他領(lǐng)域,。

研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然基金,、中科院前沿科學(xué)研究計劃等的資助。

仿生蓮藕支架的體外生物學(xué)分析,。4周的大鼠肌袋植入實驗中,，（a）大量細(xì)胞長入蓮藕狀孔道內(nèi)部，（b,c）血管微灌注實驗結(jié)果表明,，血管成功長入到孔道內(nèi),；12周的兔子顱骨缺損實驗中的（d,e）micro-CT和（f）組織切片VG染色結(jié)果，（g）骨缺損部位新骨的統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果都表明仿生蓮藕支架具有更好的骨修復(fù)能力,。

來源：中科院網(wǎng)站