3D打印新型生物活性支架用于骨再生

來源： BCML速遞

模擬骨組織細(xì)胞外基質(zhì)對(duì)開發(fā)生物活性骨再生支架材料具有重要意義,。受到骨組織組成與自然礦化產(chǎn)物的啟發(fā),，研究者選擇珍珠粉（PP）作為一種與骨組織成分相似的生物活性材料,，與魚皮甲基丙烯酸明膠（GelMA）和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）結(jié)合,，制備出一種能夠促進(jìn)骨再生的復(fù)合支架,。同時(shí)借助3D打印技術(shù)精確控制支架的組成和結(jié)構(gòu),，以滿足臨床需求。魚皮GelMA與PP的復(fù)合也賦予了支架良好的生物相容性,、細(xì)胞粘附性和成骨分化能力,，而VEGF的控釋使得支架能夠促進(jìn)血管生成（圖1）。

首先,，研究者使用顯微鏡和掃描電鏡觀察了支架的形狀,、層疊結(jié)構(gòu)和表面孔隙率 ，并使用能量色散光譜分析了支架中的Ca,、Mg,、Fe元素,，結(jié)果表明PP的成骨成分成功裝載在支架中。從圖2d,、e可以看出支架的纖維具有清晰的分層結(jié)構(gòu),，而沒有互相融合分散。且支架的纖維之間留有空隙形成了較高的孔隙度,，便于氧氣和營(yíng)養(yǎng)因子的交換及生物活性因子的釋放,。能量色散光譜（EDS）結(jié)果顯示，PP中的微量元素Ca,、Mg和Fe出現(xiàn)在支架中,，這表明支架成功負(fù)載了PP（圖2g-i）。接著,，研究者將熒光異硫氰酸鹽牛血清白蛋白（FITC-BSA）作為模型藥物包埋于支架中,，然后將支架浸泡在磷酸鹽緩沖液（PBS）中，觀察并記錄支架的熒光,。圖3a中所示的支架的均勻和明亮的熒光表明FITC-BSA的成功包封,，而持續(xù)降低的熒光強(qiáng)度表明藥物的緩慢釋放。將支架分別與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSC）和成骨細(xì)胞MC3T3-E1共培養(yǎng),，觀察支架的生物相容性,。結(jié)果表明與對(duì)照組相比，支架組中的BMSCs和MC3T3-E1在培養(yǎng)3天后均顯示出理想的細(xì)胞密度和良好的形態(tài)（圖3c,、e）,。同時(shí)，支架與人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVEC）共孵育6 h后,，與對(duì)照組相比可觀察到更多的管狀結(jié)構(gòu)形成,，表明支架具有促血管生成作用（圖3d、f）,。

然后,，研究者通過堿性磷酸酶（ALP）和茜素紅（ARS）染色評(píng)估了支架的成骨活性，GelMA-PP組和GelMA-PP&VEGF組的具有更深的染色效果,，定量結(jié)果也證實(shí)了其成骨效果更好（圖4a,、b、d,、e）,。同時(shí)，PP中的一些其他活性蛋白和糖蛋白可能也有助于成骨,，為了驗(yàn)證這一猜想,，研究者用BMSCs進(jìn)行劃痕實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明GelMA-PP組和GelMA-PP&VEGF組具有更強(qiáng)的促進(jìn)干細(xì)胞遷移和募集的能力（圖4c,、f）,。

最后,，研究者通過大鼠顱骨缺損模型，將支架植入缺損區(qū)域,，觀察了8周后的骨再生情況,。通過micro-CT分析，研究者發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組和GelMA組相比,，GelMA-PP和GelMA-PP&VEGF組的新生骨體積更大,，其中GelMA-PP&VEGF組的體內(nèi)骨修復(fù)效果最佳（圖5a、c,、d）,。 HE染色也證實(shí)了支架處理組中新形成的骨組織更多（圖5b）。通過免疫熒光和免疫組化染色發(fā)現(xiàn)GelMA-PP&VEGF組能夠顯著提高成骨標(biāo)志物OPN和OCN以及血管內(nèi)皮細(xì)胞標(biāo)志物CD31的表達(dá),，說明該支架能夠通過成骨和血管生成的協(xié)同作用,，有效地促進(jìn)骨再生（圖6）。

綜上所述,，研究者通過3D打印技術(shù),，實(shí)現(xiàn)了可控釋生物活性因子VEGF的PP、魚皮GelMA混合支架,。PP具有鈣,、鎂和鐵等成骨增強(qiáng)因子，魚皮GelMA基質(zhì)提供良好的細(xì)胞粘附能力,，VEGF促進(jìn)血管化,，協(xié)同促進(jìn)骨組織再生。

本研究由東南大學(xué)趙遠(yuǎn)錦教授團(tuán)隊(duì)完成,，于2023年10月23日在線發(fā)表于Advanced Science,。

論文信息：Yang L, Fan L, Lin X, Yu Y*, Zhao Y*. Pearl Powder Hybrid Bioactive Scaffolds from Microfluidic 3D Printing for Bone Regeneration. Adv Sci 2023, 23: e2304190.