四川大學：負載MOF的3D打印多孔復合支架用于骨缺損修復

來源：EngineeringForLife

金屬-有機骨架（metal-organic framework，MOF）作為一種新型多孔材料被廣泛應用于催化、藥物緩釋、基因治療、能源儲存等方面，也為骨組織工程領域提供了新的思路及方向。3D打印支架是一種較為常見的人工骨替代材料，然而，負載MOF的3D打印支架的成骨性能仍有待研究。近期，四川大學的萬乾炳、王劍教授團隊于Nanoscale雜志上發(fā)表了題為“3D printing of metal–organic framework incorporated porous scaffolds to promote osteogenic differentiation and bone regeneration”的文章，制備了負載納米級ZIF-8（一種MOF材料）的3D打印多孔復合支架，研究了復合支架的機械性能、生物相容性及體內(nèi)外成骨性能，證明了其用于骨缺損修復的可行性。

課題組前期研究結(jié)果顯示，ZIF-8具有優(yōu)良的體內(nèi)外成骨、成血管性能，及抗菌作用；納米級ZIF-8相較微米級ZIF-8具有更低的細胞毒性及成骨性能。本研究利用EFL團隊研發(fā)的擠出式3D打印機（EFL-BP-6601）制備負載納米級ZIF-8的多孔復合支架，并探究其體內(nèi)外成骨性能。圖一顯示，合成的ZIF-8粒度達到納米級；ZIF-8及復合支架的XRD結(jié)果均與其特征峰一致；熱重結(jié)果表明復合支架中有機物PCL與磷酸鈣陶瓷DCPD比例約為4：1，有利于支架穩(wěn)定降解；復合支架還具有Ca及Zn緩釋效果。

圖1 納米級ZIF-8及3D打印多孔支架的材料表征

圖二顯示，三組支架具有一致的均一結(jié)構(gòu)：約為450μm的孔徑和70%的孔隙率，既往研究表明其有利于早期血管長入和新骨形成；支架的粗糙表面有利于細胞粘附，為后期的成骨向分化提供條件；適宜的機械強度還保證了復合支架可以承擔一定的應力，維持骨缺損處環(huán)境的穩(wěn)定。

圖2 3D打印多孔支架的表面形貌和機械性能

圖三顯示，骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSC）在支架表面粘附，充分伸展呈梭形；3D支架結(jié)構(gòu)具有更大的比表面積，細胞分布于支架纖維表面及孔內(nèi)壁；支架表面的細胞表現(xiàn)了較高的增殖率及較低的凋亡率，顯示其具有良好的生物相容性。

圖3 3D打印支架的生物相容性

作者進一步研究了復合支架的體外成骨性能，圖四結(jié)果顯示，負載納米級ZIF-8的復合支架顯著上調(diào)了骨髓間充質(zhì)干細胞成骨相關基因及蛋白的表達，同時促進了細胞外基質(zhì)的礦化。

圖4 3D打印多孔支架的體外成骨性能

作者構(gòu)建了兔顱骨極限缺損模型，植入復合支架，12周后取材觀察。Micro-CT的重建結(jié)果（圖五）較為直觀地顯示了新骨形成量，負載納米級ZIF-8的復合支架的孔隙內(nèi)有大量新骨形成。組織學研究結(jié)果（圖六）顯示，空白對照組僅有缺損周圍有極少量新骨形成，多為纖維組織包裹。復合支架各孔隙內(nèi)及支架表面可見骨鈣蛋白表達陽性的成骨細胞，支架表面有大量新骨形成外，可見血管結(jié)構(gòu)生成。

圖5，6 3D打印多孔支架的體內(nèi)成骨性能

綜上，通過擠出式3D打印技術制備的負載納米級ZIF-8的多孔復合支架，具有適宜的機械性能、良好的生物相容性，及優(yōu)良的體內(nèi)外成骨性能，在骨組織工程領域具有廣闊潛力。

論文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/nr/d0nr06297a