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(lái)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(diǎn)，如供體部位的發(fā)病率和疾病傳播的風(fēng)險(xiǎn)，近年來(lái)，造骨異體移植（Bio-Oss）變得越來(lái)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(zhǎng),，延長(zhǎng)了骨愈合。更嚴(yán)重的問(wèn)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(méi)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(duì)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(diǎn)。

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(jì)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(lái)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(zhǎng)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(duì)長(zhǎng)骨設(shè)計(jì)的,，對(duì)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(guò)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(jiàn)報(bào)道,。

為填補(bǔ)這一領(lǐng)域的空白,，浙江大學(xué)謝志堅(jiān)團(tuán)隊(duì),、唐�,？祱F(tuán)隊(duì)、賀永團(tuán)隊(duì)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(kāi)發(fā)了一種有機(jī)無(wú)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(zhǎng)在時(shí)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(gè)包含Haversian系統(tǒng)的皮質(zhì)層和一個(gè)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(jì)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(jì)了一個(gè)模仿皮層的,、貫穿整個(gè)Haversian系統(tǒng)的層，以及一個(gè)類似海綿的多孔層,。在皮質(zhì)模型中,，通道的直徑被設(shè)計(jì)為500微米，這有利于內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)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(jì)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(yíng)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(guò)在界面上方可交聯(lián)GelMA前體來(lái)組裝一個(gè)仿生支架,。由此,，通過(guò)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(guò)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(wú)定形磷酸鈣（ACP）更高。為了評(píng)估在暴露于405納米的光線下液體和固體的轉(zhuǎn)變,，測(cè)試不同含量的CPO（0%,、5%、10%和20%）的流變性質(zhì),。溶膠/凝膠過(guò)渡點(diǎn)（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(guò)優(yōu)化,，確定使用20%含量的COP作為打印墨水。為了實(shí)現(xiàn)骨誘導(dǎo)生長(zhǎng),，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(shí)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(shí)驗(yàn)顯示,，新骨的密度與CPO的含量有很大的關(guān)系,。因此，在這項(xiàng)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(duì)照，相同濃度的納米墨水被用來(lái)制造沒(méi)有微結(jié)構(gòu)的塊狀支也被設(shè)計(jì)和制造,。在下頜骨矩形缺陷的兔子植入移植體,，以測(cè)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(duì)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(duì)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(rùn),，從而減緩了降解率,，影響了新骨組織的生長(zhǎng)。因此,，在6周和12周時(shí),，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(bào)道了了一種均勻的有機(jī)-無(wú)機(jī)納米墨水,，將BMP-2和超小的CPO納入GelMA前體中,。通過(guò)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(gè)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(shí),，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(jì)理念為開(kāi)發(fā)以功能為導(dǎo)向的三維移植體提供了新的見(jiàn)解，目的是在臨床應(yīng)用中產(chǎn)生更好的功能效果,。