由創(chuàng)傷、感染和腫瘤切除的發(fā)生率不斷增加，大型骨缺損的治療在世界范圍內(nèi)是一個主要的臨床問題。為了實(shí)現(xiàn)大面積骨缺損的成功愈合，需要在缺損部位植入合適的骨移植物。目前自體骨移植和同種異體移植是治療臨界骨缺損的重要手段，也是金標(biāo)準(zhǔn)。然而，這類骨移植物的局限性，如供體稀缺、病原體轉(zhuǎn)移和免疫排斥等，極大地阻礙了其臨床應(yīng)用。骨組織工程已經(jīng)成為一種有效的骨修復(fù)方法，許多骨組織工程支架被開發(fā)，但常用的支架材料（如陶瓷、金屬、高分子材料等）生物惰性且支架結(jié)構(gòu)簡單，不能實(shí)現(xiàn)良好的骨再生能力。因此，近年來基于仿生骨修復(fù)的策略備受關(guān)注，如從生物學(xué)活性或物理結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行仿生。然而，骨組織在重建時需要大量干細(xì)胞遷移到缺損處定植和分化并有豐富血管提供養(yǎng)分，同時需要足夠的孔隙率，為細(xì)胞的黏附和血管化以及新骨生成提供空間、為營養(yǎng)獲取和新陳代謝提供交換通道。僅實(shí)現(xiàn)物理結(jié)構(gòu)或生物活性某一方面的仿生都難以獲得最佳的骨修復(fù)性能。
針對以上挑戰(zhàn)，華東理工劉潤輝教授與合作者合作研發(fā)了一種兼具物理結(jié)構(gòu)與生物活性功能的雙仿生 3D 打印的大段骨修復(fù)支架。這種模擬結(jié)構(gòu)的支架具有各向同性的單細(xì)胞結(jié)構(gòu)，適用于承受不同負(fù)荷要求的缺損情況，并且允許血管和骨向內(nèi)生長。同時，為了實(shí)現(xiàn)仿生生物功能，采用劉潤輝課題組前期發(fā)現(xiàn)的模擬細(xì)胞外基質(zhì)肽的β-氨基酸聚合物 DM50CO50 來促進(jìn)細(xì)胞黏附（Nat. Commun. 2021, 12, 562.）。這種沒有特定氨基酸序列和結(jié)構(gòu)的聚合物，能夠促進(jìn)干細(xì)胞黏附，其效果可與金標(biāo)準(zhǔn)RGD相媲美，并且克服了與肽相關(guān)的蛋白水解問題。并通過課題組前期發(fā)現(xiàn)的DbaYKY 的三肽來引發(fā)聚合反應(yīng)，從而能夠快速且高效地將聚合物功能化到支架表面（Nat. Commun. 2021, 12, 6331）。此外，通過將去鐵胺（DFO）與亞氨基二乙酸（IDA）偶聯(lián)對其進(jìn)行修飾，賦予其尋鈣能力。所得的合成分子（SF-DFO）可螯合到硅鈣石支架及其他含鈣支架上，作為一種涂層材料將 DFO 的血管生成特性嫁接到支架上。管形成實(shí)驗(yàn)表明，SF-DFO 與 DFO 一樣能促進(jìn)血管生成，因?yàn)槎呔軌虼偈诡愌芄芮恍纬伞＿@種雙仿生的3D 打印支架能夠有效促進(jìn)大段骨修復(fù)，為仿生骨修復(fù)材料設(shè)計(jì)提供新的思路。
2024年12月26日，該研究成果以“3D-Printed Dual-Bionic Scaffolds to Promote Osteoconductivity and Angiogenesis for Large Segment Bone Restoration”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上（Adv. Funct. Mater. 2024, 2422691 DOI: 10.1002/adfm.202422691）。
圖1. 雙仿生 3D 打印的白硅鈣石支架
首先，為實(shí)現(xiàn)對物理結(jié)構(gòu)的仿生，作者選擇了一種成分與骨基質(zhì)相似的白硅鈣石生物陶瓷作為基材，通過3D打印技術(shù)制備具有各向同性單細(xì)胞結(jié)構(gòu)且孔隙率約為 59%±5% 的支架。這種孔隙率便于血管和骨向內(nèi)生長，為骨再生提供了必要的支撐（圖 1a）。該支架的抗壓能力與傳統(tǒng)的交叉結(jié)構(gòu)支架相當(dāng)，而在抗彎、抗剪以及抗扭方面則更勝一籌，這使得這一支架能夠通過為新骨形成提供適當(dāng)?shù)膽?yīng)力刺激，同時有效防止過度的應(yīng)力遮擋，適用于承受不同負(fù)荷要求的缺損情況。
圖2. 支架材料的表面表征
將促細(xì)胞黏附多肽和DFO雙重修飾的支架材料接種綠色熒光蛋白（GFP）- 熒光素酶（Luc）標(biāo)記的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）的支架皮下植入裸鼠體內(nèi)。在植入后的第 0、3 和 5 天進(jìn)行生物發(fā)光成像。結(jié)果顯示，該支架不僅能夠在體外促進(jìn)細(xì)胞增殖，而且還能提高體內(nèi)的細(xì)胞存活率。另外，與在普通培養(yǎng)基中培養(yǎng)細(xì)胞且無額外干預(yù)的陰性對照組相比，DFO 和 SF-DFO 均顯著上調(diào)了 HO-1 和 VEGF 的表達(dá)。
圖3. 支架材料促細(xì)胞黏附和促血管生成效果
這種 3D 打印的硅鈣石支架的壓縮模量和剛度分別高達(dá) 6 GPa和 5000 N/mm，這大大超過了骨小梁支架 2 GPa的最低要求。作者設(shè)計(jì)的支架平均孔徑為 450 μm，孔隙率為 59%，在機(jī)械完整性和生物學(xué)性能之間實(shí)現(xiàn)了最佳平衡，超過了骨組織工程支架 50 至 900 μm的平均范圍。這種設(shè)計(jì)確保了有充足的空間來供應(yīng)氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，這對于促進(jìn)支架孔隙內(nèi)的血管生成和成骨作用至關(guān)重要。
圖4. 支架材料的力學(xué)性能
圖5. 支架材料的成骨分化
作者設(shè)計(jì)的這種具有雙重仿生設(shè)計(jì)理念的骨修復(fù)支架不僅在體外展示了良好的干細(xì)胞粘附和血管形成效果，大鼠的大斷骨缺損模型也驗(yàn)證了該支架優(yōu)異的成骨和成血管能力，顯著加速了臨界尺寸骨缺損的修復(fù)。這一結(jié)果證實(shí)了結(jié)構(gòu)和功能的雙重模擬，將更加有效的模擬天然骨組織并利于相互功能的發(fā)揮，也進(jìn)一步為臨床前應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
圖6. 大斷骨缺損體內(nèi)修復(fù)
圖7.體內(nèi)血管形成效果
圖8. 體內(nèi)骨修復(fù)效果
上海交通大學(xué)陳博博士、華東理工大學(xué)特聘副研究員陳琦為該論文的第一作者，華東理工大學(xué)劉潤輝教授為通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部等基金的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202422691
