深圳先進(jìn)院賴毓霄組Biomaterials | 低溫沉積3D打印含鎂支架，用于骨肉瘤術(shù)后治療

來(lái)源：上普生物

近期，來(lái)自中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院賴毓霄研究員與秦嶺教授課題組在Biomaterials發(fā)表了文章題為“Multifunctional Magnesium Incorporated Scaffolds by 3D-Printing for Comprehensive Postsurgical Management of Osteosarcoma”,，采用低溫沉積3D打印工藝，設(shè)計(jì)了一種多功能 PLGA/Mg 多孔支架，用于 OS 的綜合術(shù)后管理,。

骨肉瘤 (OS) 是最常見(jiàn)的原發(fā)性惡性骨腫瘤，起源于骨間充質(zhì)細(xì)胞,。它的特點(diǎn)是增殖的腫瘤細(xì)胞直接形成未成熟的骨或類骨質(zhì)組織,。OS通常發(fā)生于兒童或青少年，占所有兒童腫瘤的5～6%,。

目前,，OS的臨床治療模式是手術(shù)干預(yù)與放化療相結(jié)合,，手術(shù)切除不可避免地會(huì)導(dǎo)致形成廣泛的骨缺損，一些殘留的腫瘤細(xì)胞會(huì)留在缺損區(qū)域,。這些殘留的腫瘤細(xì)胞有很大的局部復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn),。同樣，術(shù)后放化療仍存在一些弊端,，如殘留癌細(xì)胞清除效率低,、副作用大等。同時(shí),，廣泛的骨缺損,、化療/放療引起的免疫力低下、感染和供血不暢都會(huì)給缺損愈合帶來(lái)嚴(yán)重問(wèn)題,。

因此,，開(kāi)發(fā)兼具清除殘留癌細(xì)胞、抑制腫瘤復(fù)發(fā)和骨再生能力雙重功能的新型生物材料對(duì)修復(fù)手術(shù)引起的大面積缺損具有重要意義,。
為了解決這些問(wèn)題,，本研究設(shè)計(jì)了一種多功能 PLGA/Mg 多孔支架，用于 OS 的綜合術(shù)后管理,。PLGA/Mg 復(fù)合支架具有幾個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)：
（1）充分利用Mg離子的多種功能性,，以滿足OS術(shù)后管理。完整的Mg顆粒對(duì)腫瘤根除具有良好的光熱效應(yīng),，釋放出的Mg離子可以促進(jìn)骨再生,，從而賦予PLGA/Mg支架抑制OS復(fù)發(fā)和依次修復(fù)骨缺損的雙重功能；
（2）采用低溫沉積3D打印技術(shù)（LT-RP）制備具有仿生分層多孔結(jié)構(gòu)的支架,，在結(jié)構(gòu)上促進(jìn)骨再生,；（點(diǎn)擊鏈接了解低溫沉積3D打印技術(shù)：硬核技術(shù)| 低溫沉積生物3D打印：一項(xiàng)滴水成冰的秘技）
（3）PLGA/Mg 支架具有優(yōu)異的生物降解性和生物相容性,，在臨床轉(zhuǎn)化方面具有廣闊的前景,。
（4）PLGA/Mg 支架在近紅外激光照射下完全抑制腫瘤復(fù)發(fā)，并有效修復(fù)骨缺損體內(nèi),。

研究主要成果
3D打印支架的制造和表征：團(tuán)隊(duì)使用低溫沉積3D打印工藝制造具有不同鎂含量的 PLGA/Mg 復(fù)合支架,，通過(guò)低溫沉積技術(shù)（點(diǎn)擊鏈接了解技術(shù)：硬核技術(shù)| 低溫沉積生物3D打印：一項(xiàng)滴水成冰的秘技）,，支架具有具有良好互連的宏觀+微觀孔隙,，支架的這種分層多孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了小梁松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的效果。并且,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明摻入鎂顆�,？梢源蟠筇岣叨嗫字Ъ艿臋C(jī)械強(qiáng)度。

PLGA/Mg支架的降解和光熱性能：在降解 28 天后,，P10M 和 P5M 支架的機(jī)械強(qiáng)度仍可保持高于 PLGA 支架,。所有支架在室溫至 200 攝氏度的溫度范圍內(nèi)幾乎沒(méi)有觀察到重量損失,，表明支架在以下光熱應(yīng)用中具有良好的熱穩(wěn)定性。

PLGA/Mg 支架的體外細(xì)胞測(cè)試：結(jié)果表明,，PLGA/Mg 支架具有非常有效的光熱效應(yīng),，可以有效殺死腫瘤細(xì)胞。通過(guò)細(xì)胞增殖研究,，PLGA 和 P10M 支架上的 MC 3T3-E1 細(xì)胞顯示出非常高的細(xì)胞融合度和完整的形態(tài),。總之,，P10M 支架的這些多管齊下的作用可以有效地破壞 Saos-2 細(xì)胞,，同時(shí)最大限度地減少對(duì)相鄰正常細(xì)胞的不利影響。

體內(nèi)術(shù)后腫瘤復(fù)發(fā)抑制研究：通過(guò)進(jìn)行小鼠體內(nèi)抗腫瘤實(shí)驗(yàn),，結(jié)果有力地表明,，P10M 支架介導(dǎo)的光熱療法和腫瘤微環(huán)境調(diào)節(jié)作用的組合作用可以有效抑制 OS 的術(shù)后復(fù)發(fā)。

體外成骨分化和礦化機(jī)制：通過(guò)骨分化與礦化研究,，研究者認(rèn)為支架通過(guò) AKT 和 β-catenin 途徑誘導(dǎo)成骨分化,，隨后增加了相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和成骨行為,。

新骨小梁和皮質(zhì)骨形成：支架有利于骨組織從支架外圍向內(nèi)部生長(zhǎng),。這歸因于支架的互連大孔結(jié)構(gòu)和支架釋放的鎂離子，這促進(jìn)了骨細(xì)胞從邊緣向中心的遷移,，并在鎂離子存在下加速了原位生物礦化,。此外對(duì)于骨小梁，術(shù)后 4 周和 8 周,，骨礦物質(zhì)密度（BMD，P<0.001）,、骨體積百分比（BV/TV,，P<0.001）和骨小梁數(shù)量（Tb.N，P<0）顯著升高,。此外,，二維分析也證明P10M組骨小梁厚度明顯高于對(duì)照組和PLGA組。同時(shí),，對(duì)于周邊的皮質(zhì)骨區(qū)域,，P10M組也有顯著較高的平均總截組織面積率。這些都證明,，支架由于其優(yōu)異的成骨和骨整合能力,，可以有效促進(jìn)骨再生并在缺損區(qū)域形成更好的新骨組織的骨連接。

組織學(xué)分析：基于染色圖像,，在所有組中都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的炎癥,。術(shù)后 4 周和 8 周,，對(duì)照組缺損區(qū)以纖維組織為主，新骨形成較少,。PLGA組未見(jiàn)明顯的新骨形成,，僅在缺損區(qū)觀察到一些骨樣組織。與此形成鮮明對(duì)比的是,，當(dāng)用 P10M 支架填充缺陷時(shí),，染色檢測(cè)到大量富含膠原蛋白的細(xì)胞外基質(zhì)，表明形成了大量新骨,。這些結(jié)果證明,，P10M支架可以顯著促進(jìn)體內(nèi)骨形成，從而實(shí)現(xiàn)骨缺損的有效治療效果,。

文章總結(jié)
研究通過(guò)低溫沉積3D打印技術(shù)構(gòu)建了PLGA/Mg復(fù)合支架,，用于OS的綜合術(shù)后治療。支架成分簡(jiǎn)單,，但表現(xiàn)出優(yōu)異的雙重功能,。在近紅外激光照射下，通過(guò)光熱效應(yīng)和腫瘤微環(huán)境調(diào)節(jié),，支架可以完全根除殘留的腫瘤細(xì)胞,。通過(guò)新穎的低溫沉積3D打印技術(shù)，將鎂和仿生多孔結(jié)構(gòu)在成骨方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)創(chuàng)造性地結(jié)合在一起,，實(shí)現(xiàn)了出色的骨缺損修復(fù)效果,。考慮到支架在抑制腫瘤復(fù)發(fā),、促進(jìn)骨再生方面的強(qiáng)大能力以及組件的良好生物相容性,，此創(chuàng)新型支架有望轉(zhuǎn)化為 OS 術(shù)后治療的多功能臨床應(yīng)用。