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            上海硅酸鹽所等科學家制備出3D打印仿生蓮藕支架,在大塊骨缺損修復方面取得進展

            2017.12.15

            臨床上,大塊骨缺損的修復是人類面臨的挑戰之一。3D打印技術可以便捷的制備形狀可控的多孔支架材料,廣泛應用于生物材料和骨組織工程領域。傳統3D打印支架具有多孔的結構,將材料植入缺損部位后,營養物質和細胞沿著孔向內滲入支架內部,有利于骨組織向內長入,促進骨缺損的修復。


            然而,傳統3D打印支架在大塊骨缺損方面仍顯不足。傳統3D打印支架由實心的基元堆疊而成,降低了材料的孔隙率;傳統3D打印支架的孔隙呈階梯三維延伸狀,并沒有形成平直的孔道狀,在流體力學上有較強的流體阻力,不利于營養物質和細胞滲入支架內部,阻礙了修復過程中的成血管和成骨。


            近日,中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領的研究團隊,在3D打印復雜結構生物陶瓷用于血管化大塊骨缺損修復方面取得新進展。


            仿生蓮藕結構提升大塊骨缺損修復能力

            研究團隊受到自然界中蓮藕內部平行多通道結構的啟發,采用3D打印制備出仿生蓮藕支架,并與上海交通大學附屬第九人民醫院蔣欣泉團隊合作,進一步發現該類支架相對于傳統3D打印支架,具有顯著提高大塊骨缺損的修復的能力。



            受自然界啟發制備出仿生蓮藕支架用于骨組織工程。(c-g)材料制備過程。


            研究團隊把傳統3D打印支架每個基元的內部做成平行多通道結構,這種結構有望促進新血管和骨組織的長入,有利于骨缺損的修復,并重新設計了內部共軸鑲嵌的擠壓式3D打印針頭,通過改進的3D打印制備方法,實現一次性打印仿生蓮藕支架,改進的3D打印方法能夠調控仿生蓮藕支架的物理和化學性質。



            3D打印仿生蓮藕支架理化性質的調控。

            (a)不同材料的仿生蓮藕支架,(b)不同形狀的仿生蓮藕支架和(c)不同孔道尺寸的仿生蓮藕支架。


            采用這種方法不僅可以用各種生物陶瓷(Akermanite, Al2O3, ZrO2)、金屬Fe和高分子海藻酸鈉等多種材料制備出仿生蓮藕支架,而且能制備出不同形狀、孔道數目、孔道直徑的仿生蓮藕支架。此外,通過調控3D支架的基元堆砌方式和孔道數目,來調控該仿生蓮藕支架的孔隙率和力學強度。該仿生蓮藕支架的最高孔隙率達到80%,力學強度可達40MPa以上,能滿足骨缺損修復材料的要求。


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            仿生蓮藕支架孔隙率和力學強度的調控。(a)三種不同基元堆砌方式的仿生蓮藕支架,具有不同數目孔道和堆砌方式的仿生蓮藕支架的(b)孔隙率和(c)力學強度。

            研究團隊進一步通過選擇生物活性良好的鎂黃長石(Akermanite)陶瓷作為基體代表材料,來探究這種仿生蓮藕材料在骨組織再生工程中的性能和應用,分別制備了具有單孔道、雙孔道、三孔道和四孔道的仿生蓮藕生物陶瓷支架。體外生物學分析結果表明,與傳統3D支架相比,該仿生蓮藕鎂黃長石生物陶瓷支架更有利于細胞的粘附和增殖,并隨著通道數目的增加,其效果越明顯增加。


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            仿生蓮藕支架的體外生物學分析。4周的大鼠肌袋植入實驗中,(a)大量細胞長入蓮藕狀孔道內部,(b,c)血管微灌注實驗結果表明,血管成功長入到孔道內;12周的兔子顱骨缺損實驗中的(d,e)micro-CT和(f)組織切片VG染色結果,(g)骨缺損部位新骨的統計學分析結果都表明仿生蓮藕支架具有更好的骨修復能力。


            體內動物實驗表明,該仿生蓮藕生物支架提高了骨組織再生能力和成血管化效應,有利于骨缺損的修復。與傳統的3D生物活性支架相比,該3D打印仿生蓮藕生物支架更有利于營養物質向支架內部的傳輸,引導細胞和組織向內長入,從而促進前期的成血管以及后期的成骨,提高了骨缺損的修復性能。由于其多通道高孔隙率的結構特點,該種材料還可以用于藥物大分子裝載、表面功能化修飾以及催化、能源、環境等其他領域。


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            仿生蓮藕支架的體內生物學分析。(a)兔子間充質干細胞(BMSCs)在仿生蓮藕支架上的SEM照片,(c-e)細胞培養在支架上第3天的共聚焦顯微鏡照片,仿生蓮藕支架的(f)細胞粘附和(g)增殖結果。


            研究工作得到了中組部青年千人計劃、國家重點研發計劃和國家自然基金、中科院前沿科學研究計劃等的資助。相關研究成果發表在Advanced Science上,并申請專利一項。

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