四川大學(xué)：負(fù)載MOF的3D打印多孔復(fù)合支架用于骨缺損修復(fù)

來源：EngineeringForLife

金屬-有機骨架（metal-organic framework,，MOF）作為一種新型多孔材料被廣泛應(yīng)用于催化,、藥物緩釋,、基因治療,、能源儲存等方面,，也為骨組織工程領(lǐng)域提供了新的思路及方向,。3D打印支架是一種較為常見的人工骨替代材料,，然而，負(fù)載MOF的3D打印支架的成骨性能仍有待研究,。近期,，四川大學(xué)的萬乾炳、王劍教授團(tuán)隊于Nanoscale雜志上發(fā)表了題為“3D printing of metal–organic framework incorporated porous scaffolds to promote osteogenic differentiation and bone regeneration”的文章,，制備了負(fù)載納米級ZIF-8（一種MOF材料）的3D打印多孔復(fù)合支架,，研究了復(fù)合支架的機械性能、生物相容性及體內(nèi)外成骨性能,，證明了其用于骨缺損修復(fù)的可行性,。

課題組前期研究結(jié)果顯示，ZIF-8具有優(yōu)良的體內(nèi)外成骨,、成血管性能,，及抗菌作用；納米級ZIF-8相較微米級ZIF-8具有更低的細(xì)胞毒性及成骨性能,。本研究利用EFL團(tuán)隊研發(fā)的擠出式3D打印機（EFL-BP-6601）制備負(fù)載納米級ZIF-8的多孔復(fù)合支架,，并探究其體內(nèi)外成骨性能,。圖一顯示，合成的ZIF-8粒度達(dá)到納米級,；ZIF-8及復(fù)合支架的XRD結(jié)果均與其特征峰一致,；熱重結(jié)果表明復(fù)合支架中有機物PCL與磷酸鈣陶瓷DCPD比例約為4：1，有利于支架穩(wěn)定降解,；復(fù)合支架還具有Ca及Zn緩釋效果,。

圖1 納米級ZIF-8及3D打印多孔支架的材料表征

圖二顯示，三組支架具有一致的均一結(jié)構(gòu)：約為450μm的孔徑和70%的孔隙率,，既往研究表明其有利于早期血管長入和新骨形成,；支架的粗糙表面有利于細(xì)胞粘附，為后期的成骨向分化提供條件,；適宜的機械強度還保證了復(fù)合支架可以承擔(dān)一定的應(yīng)力,，維持骨缺損處環(huán)境的穩(wěn)定。

圖2 3D打印多孔支架的表面形貌和機械性能

圖三顯示,，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSC）在支架表面粘附,，充分伸展呈梭形；3D支架結(jié)構(gòu)具有更大的比表面積,，細(xì)胞分布于支架纖維表面及孔內(nèi)壁,；支架表面的細(xì)胞表現(xiàn)了較高的增殖率及較低的凋亡率，顯示其具有良好的生物相容性,。

圖3 3D打印支架的生物相容性

作者進(jìn)一步研究了復(fù)合支架的體外成骨性能,，圖四結(jié)果顯示，負(fù)載納米級ZIF-8的復(fù)合支架顯著上調(diào)了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨相關(guān)基因及蛋白的表達(dá),，同時促進(jìn)了細(xì)胞外基質(zhì)的礦化,。

圖4 3D打印多孔支架的體外成骨性能

作者構(gòu)建了兔顱骨極限缺損模型，植入復(fù)合支架,，12周后取材觀察,。Micro-CT的重建結(jié)果（圖五）較為直觀地顯示了新骨形成量，負(fù)載納米級ZIF-8的復(fù)合支架的孔隙內(nèi)有大量新骨形成,。組織學(xué)研究結(jié)果（圖六）顯示,，空白對照組僅有缺損周圍有極少量新骨形成，多為纖維組織包裹,。復(fù)合支架各孔隙內(nèi)及支架表面可見骨鈣蛋白表達(dá)陽性的成骨細(xì)胞,，支架表面有大量新骨形成外，可見血管結(jié)構(gòu)生成,。

圖5,，6 3D打印多孔支架的體內(nèi)成骨性能

綜上，通過擠出式3D打印技術(shù)制備的負(fù)載納米級ZIF-8的多孔復(fù)合支架,，具有適宜的機械性能,、良好的生物相容性,，及優(yōu)良的體內(nèi)外成骨性能，在骨組織工程領(lǐng)域具有廣闊潛力,。

論文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/nr/d0nr06297a