上海硅酸鹽所：3D打印多功能支架材料研究進展

目前臨床上對于實體瘤的治療,，通常采用以手術(shù)切除為主,，化療,、放療為輔的綜合療法,。手術(shù)切除大部分骨腫瘤組織之后，在原發(fā)灶部位會造成大塊組織缺損,，超過人體自愈范圍,，因而需要植入組織工程支架進行誘導(dǎo)修復(fù)。同時,，由于手術(shù)很難完全清除腫瘤細(xì)胞,，為防止腫瘤復(fù)發(fā)，臨床通常會借助傳統(tǒng)化療和放療手段,，而放療和化療對病人會造成很大的毒副作用,。據(jù)南極熊了解，為解決該問題,，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員與常江研究員帶領(lǐng)的研究團隊提出構(gòu)建兼具腫瘤治療和組織再生雙功能特性的3D打印組織工程支架，近期取得了系列性重要進展,。

該團隊采用3D打印和原位生長相結(jié)合的方式,，制備了有序大孔結(jié)構(gòu)生物陶瓷的支架,，并在支架表面原位生長二硫化鉬納米片(圖1)，賦予支架在近紅外照射下迅速升溫的特性,。這種制備方式不僅使得二硫化鉬納米片非常穩(wěn)定地依附在陶瓷支架的外層,，而且可以對支架的光熱性能和成骨活性進行有效調(diào)控。將支架植入腫瘤部位,，結(jié)合近紅外光照射進行治療,，有效抑制了腫瘤的生長，而其他對照組的腫瘤生長不受抑制,。同時,，體內(nèi)骨修復(fù)實驗表明這種復(fù)合支架保持了生物陶瓷支架原有的優(yōu)良成骨活性，且證實短暫的激光照射不會影響長期的新骨再生(圖2),，在骨腫瘤的治療與修復(fù)中表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力,。目前該研究成果被Nature 出版集團的期刊 NPG Asia Materials, AM2016556R 接收(該論文第一作者為在讀博士生王小成)。

圖1.3D打印制備的具有二硫化鉬納米片層的生物陶瓷多孔支架,，支架具有優(yōu)良的光熱特性與成骨活性,。純陶瓷支架AKT(a)及不同二硫化鉬含量的復(fù)合支架0.05MS-AKT(b)、0.1MS-AKT(c)及0.2MS-AKT(d)的形貌,。

圖2. 兔子股骨缺損部位植入3D打印的二硫化鉬修飾的生物陶瓷支架(a,，b)和純陶瓷支架(c，d)八周后,，在支架內(nèi)部和周圍形成大量新生骨組織(e,，f)。

該團隊利用多巴胺原位聚合與3D打印生物支架表面礦化的特點,，在3D打印的Ca-P-Si生物陶瓷支架表面上誘導(dǎo)出一層自均勻組裝的聚多巴胺/Ca-P納米層(圖3),，使其兼具光熱抗腫瘤的療效及修復(fù)大塊骨缺損的能力。誘導(dǎo)后的支架表面粗糙度及親水性的提高,，以及納米層中含有的OH,、NH2-生物活性基團能夠促進骨間充質(zhì)干細(xì)胞粘附和增殖。其次,，誘導(dǎo)出的納米層能夠促進Ca-P礦化,，有利于營養(yǎng)物質(zhì)的吸附，進而促進骨間充質(zhì)干細(xì)胞的分化及體內(nèi)成骨,。同時,，誘導(dǎo)后的支架在808nm近紅外光照射下，能實現(xiàn)快速升溫,，進而利用其良好的光熱效果,，能有效殺死腫瘤細(xì)胞，抑制裸鼠體內(nèi)腫瘤生長。該成果已經(jīng)申請專利一項,，相關(guān)研究成果發(fā)表在Biomaterials.2016; 111: 138-148. (該論文第一作者為在讀生馬紅石),，該工作被Materials Today 以新聞亮點形式報道(圖4)。最近,，該團隊利用活性營養(yǎng)元素制備了超細(xì)的合成了超小尺度的CuCoS2 納米晶(~10 nm),，其光熱轉(zhuǎn)換效率能達到73%，具有非常優(yōu)良的光熱效應(yīng),，能有效殺死腫瘤,，同時因為Cu等活性元素可以促進血管化，可能是一類新型的兼具“骨修復(fù)”與“腫瘤治療”的雙功能生物活性納米材料(Adv Funct Mater 2017DOI: 10.1002/adfm.201606218),。

圖3. (a)依次為純生物陶瓷支架,，2mg/mL, 4mg/mL, 6mg/mL 多巴胺誘導(dǎo)的生物陶瓷支架照片;純生物陶瓷(b)和4mg/mL多巴胺誘導(dǎo)的生物陶瓷支架(c)的顯微照片;純生物陶瓷支架(d), 4mg/mL多巴胺誘導(dǎo)的生物陶瓷支架(e)的SEM結(jié)果;4mg/mL多巴胺誘導(dǎo)的生物陶瓷支架斷面SEM(h)以及斷面能譜(i)。

圖4. Mater Today 以“Mussel-inspired scaffolds help treat bone cancer”新聞亮點報道團隊工作(Biomaterials. 2016; 111: 138-148),。

此外,，該團隊還與同濟大學(xué)合作，探索了細(xì)胞生物打印,。該團隊采用酶引發(fā)聚合溫和的高強度超分子-高分子復(fù)合水凝膠與干細(xì)胞進行結(jié)合,，通過原位3D打印，成功實現(xiàn)了干細(xì)胞在酶鉸鏈的高強度水凝膠支架中的高效存活,，為干細(xì)胞原位3D打印開辟了新方法 (Chem Sci 2016;7:2748-2752),。目前相關(guān)研究已經(jīng)實現(xiàn)了部分技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，獲得企業(yè)橫向支持300余萬元,。相關(guān)研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃,，中科院青年拔尖人才以及國家自然基金支持。

來源：上海硅酸鹽研究所