超臨界尺寸的骨缺損再生與重建仍是當(dāng)前骨科臨床面臨棘手問題，主要受限于內(nèi)源性細胞固有再生能力。物理微形貌以一種穩(wěn)定而有效的方式，可使生物材料具有更強的骨傳導(dǎo)性，引導(dǎo)細胞生長并修復(fù)超臨界骨缺損。然而，如何在三維多孔支架中通過微表層物理結(jié)構(gòu)調(diào)控促進骨傳導(dǎo)仍具有挑戰(zhàn)。
近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院醫(yī)藥所阮長順團隊提出了一種受石屋啟發(fā)的3D打印策略，以構(gòu)建具有可調(diào)微形貌的微球3D圖案化支架，用于加速骨再生。以聚（乳酸-co-乙醇酸）微球為“石頭”，和海藻酸基水凝膠為“黏土”的定制復(fù)合生物墨水，通過3D打印構(gòu)建具有穩(wěn)定、可調(diào)的凹-脊微結(jié)構(gòu)的組織工程支架。由于這種表面微結(jié)構(gòu)，微球圖案化支架能調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，顯著促進細胞募集、血管生成和骨生成，為組織工程與再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域提供新的思路（圖1）。相關(guān)研究成果題為“A Stone-cottage-inspired Printing Strategy to Build Microsphere Patterned Scaffolds for Accelerated Bone Regeneration”發(fā)表在權(quán)威刊物Advanced Functional Materials上（Adv. Funct. Mater. 2024, 2417836）。
圖2. 基于“Stone & Mortar”復(fù)合墨水及微球圖案化支架的表征。
圖3. 可調(diào)微形貌的微球圖案化支架表征。
圖4. 微球圖案化支架的體外生物學(xué)評估。
圖5. 小鼠皮下植入后細胞募集的體內(nèi)分析。
圖6. 支架植入兔顱骨缺損12周后骨再生的體內(nèi)分析。
AU-PLGA支架表現(xiàn)出更好的骨傳導(dǎo)及促骨再生修復(fù)能力。AU-PLGA支架增強骨再生能力顯著優(yōu)于AlgMA支架，并且隨著AU-PLGA支架中微球直徑的減小而顯著增加（圖6）。此外，AU-PLGA支架中新生骨體積分數(shù)（BV/TV）、新骨礦物質(zhì)密度（BMD）和新骨表面積（BS）、小梁的數(shù)量（Tb.N）、小梁連接密度（Conn.D）和新骨形成的連接也隨著微球直徑的增加而減少。與 55μm 和 85μm 相比，25μm 寬的凹-脊微結(jié)構(gòu)在修復(fù)骨缺損方面顯示出更優(yōu)的骨傳導(dǎo)作用。從機理上講，雖然細胞在早期階段更喜歡粘附在寬度較大、模量較高的凹-脊微結(jié)構(gòu)上，但后期這種凹-脊微結(jié)構(gòu)也成為細胞生長的屏障，而寬度較小的微結(jié)構(gòu)在后期階段更有利于細胞的交流和分化。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417836
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