用于引導(dǎo)細(xì)胞遷移和定向骨生長(zhǎng)的海螺狀3D打印支架

供稿人：雷沁霖、高琳
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打�。┓謺�(huì)

嚴(yán)重骨缺損的再生在臨床上仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。開發(fā)再生支架來定向引導(dǎo)骨骼生長(zhǎng)是克服這一障礙的潛在策略。而海螺是一種在海洋中廣泛分布的生物，它有堅(jiān)硬的螺旋外殼，可以沿著螺旋方向不斷生長(zhǎng)。海螺的生長(zhǎng)策略可能會(huì)啟發(fā)制造再生支架來定向引導(dǎo)骨骼生長(zhǎng)的實(shí)現(xiàn)。

受海螺生理特征的啟發(fā)，中國(guó)科學(xué)院上海陶瓷研究所高性能陶瓷與超細(xì)微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成功制備了一種基于β-TCP生物陶瓷材料的海螺狀支架，用于通過基于數(shù)字光處理的3D打印引導(dǎo)定向骨生長(zhǎng)。得益于螺旋結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的3D支架相比，海螺狀支架在體外顯著改善了細(xì)胞粘附、增殖和成骨分化。

圖1 3D打印支架的制備和在引導(dǎo)骨定向生長(zhǎng)中的應(yīng)用示意圖

團(tuán)隊(duì)使用基于數(shù)字光處理的光固化3D打印機(jī)制造海螺狀支架。其中，印刷層厚度固定在50μm，固化光源的波長(zhǎng)為405nm。第一層的暴露時(shí)間為40s，其他層為8s。印刷后，將樣品從印刷平臺(tái)上取出，并用酒精仔細(xì)超聲清洗20s。清潔步驟重復(fù)兩次以去除殘留的漿料。然后，將清潔后的生坯置于405nm便攜式光源下1小時(shí)進(jìn)行二次固化。最后，在馬弗爐中對(duì)坯體進(jìn)行脫苦，并按照程序燒結(jié)。

通過3D打印的方式，設(shè)計(jì)者可以靈活準(zhǔn)確地控制支架的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、孔隙率和力學(xué)性能等各項(xiàng)參數(shù)。其次，與傳統(tǒng)的交叉支撐支架相比，海螺狀支架可以提高材料的運(yùn)輸能力，增強(qiáng)接種的兔骨髓干細(xì)胞的生物學(xué)行為，包括粘附、增殖和成骨分化。特別是海螺狀支架可以引導(dǎo)細(xì)胞沿著垂直方向遷移，這就像“細(xì)胞爬樓梯”。此外，支架很好地引導(dǎo)了自下而上的定向骨生長(zhǎng)，并增強(qiáng)了體內(nèi)骨再生。因此，這項(xiàng)研究表明，3D打印海螺狀支架將是修復(fù)嚴(yán)重骨缺損甚至四肢的一種很有前途的待選方案。此外，這項(xiàng)研究為復(fù)雜組織再生仿生材料的設(shè)計(jì)和制造提供了一種很有前途的策略。

參考文獻(xiàn)：
Boshi Feng, Meng Zhang, Chen Qin, Dong Zhai, Yufeng Wang et al. 3D printing of conch-like scaffolds for guiding cell migration and directional bone growth. Bioactive Materials, 22 (2023) 127-140.