基于DLP三維打印技術構建用于骨再生的哈弗斯類支架

來源： EngineeringForLife

骨組織是人體不可缺少的組成部分，在保護內臟、參與人體新陳代謝方面起著關鍵作用。然而，層次化結構的復雜性、力學性能的要求以及骨駐留細胞的多樣性是構建仿生骨組織工程支架的主要挑戰(zhàn)，因此開發(fā)一種能夠模擬天然骨組織的組織工程支架就顯得尤為重要。

近期，中國科學院上海硅酸鹽研究所的吳成鐵教授團隊在Science Advances雜志上發(fā)表了題目為”3D printing of Haversian bone–mimickingscaffolds for multicellular delivery in bone regeneration”的文章。研究人員通過基于DLP的三維打印技術，成功地制備了具有完整層次化哈弗斯骨結構的仿生骨支架，并且通過改變哈弗仿骨結構的參數，達到更好地控制支架的抗壓強度和孔隙率的目的。并在體外誘導成骨、血管生成和神經源性分化，促進體內血管生長和新骨形成上驗證了其多細胞輸送能力。

首先，研究人員利用DLP打印技術將生物陶瓷材料制作成具有哈弗斯管、Volkmann管和松質骨結構的哈弗斯仿骨支架（圖1），并成功制造了5種不同的哈弗斯管仿骨支架（圖2），其中哈弗斯管數量和大小存在差異（紅色箭頭），Volkmann管是在水平方向上連通哈弗斯管的環(huán)形通道(藍色箭頭)，松質骨部分被設計為網狀結構(圖2I)。

圖1 DLP打印制造用于輸送成骨細胞和血管生成細胞的哈弗斯仿骨支架

圖2 DLP打印出的哈弗斯仿骨生物陶瓷支架

其次，為了研究形態(tài)學、力學性能與孔隙率之間的關系，研究人員對不同管道結構的哈弗斯仿骨支架的力學關系進行了測量。

圖3 哈弗斯仿骨生物陶瓷支架的相關表征

進一步的，為了研究成骨和血管生成過程中的細胞相互作用，研究人員將上述哈弗斯仿骨支架用于HBMSC-HUVEC共培養(yǎng)細胞的輸送（圖4），并且通過rBMSC-RSC共培養(yǎng)體系驗證了所構建的骨細胞共培養(yǎng)體系的普適性（圖5）。最后，通過建立用于修復兔股骨缺損的RBMSC-RAEC共培養(yǎng)體系，進一步驗證了支架共培養(yǎng)體系在體內的成骨和血管生成作用（圖6）。

圖4 HBMSC-HUVEC共培養(yǎng)體系的哈弗斯仿骨支架在細胞增殖和血管生成分化方面優(yōu)于單一細胞培養(yǎng)體系

圖5 基于哈弗斯仿骨支架的rBMSC-RSC共培養(yǎng)體系在細胞增殖和神經分化方面優(yōu)于單一培養(yǎng)體系

圖6 基于哈弗斯仿骨支架的RBMSC-RAEC共培養(yǎng)系統(tǒng)促進了兔股骨缺損新骨和新血管的形成

綜上所述，該研究通過DLP打印技術制備了具有哈弗斯管、Volkmann管和松質骨結構的哈弗斯骨仿骨支架。通過調節(jié)其力學性能和孔隙率使其能有效地輸送成骨細胞、血管生成細胞和神經源性細胞，并在體外和體內都表現出良好的成骨和血管生成能力，從而為組織再生的結構化和功能化生物材料的設計提出了一種仿生策略。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz6725