3D打印新型生物活性支架用于骨再生

來源： BCML速遞

模擬骨組織細胞外基質(zhì)對開發(fā)生物活性骨再生支架材料具有重要意義。受到骨組織組成與自然礦化產(chǎn)物的啟發(fā)，研究者選擇珍珠粉（PP）作為一種與骨組織成分相似的生物活性材料，與魚皮甲基丙烯酸明膠（GelMA）和血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）結(jié)合，制備出一種能夠促進骨再生的復合支架。同時借助3D打印技術(shù)精確控制支架的組成和結(jié)構(gòu)，以滿足臨床需求。魚皮GelMA與PP的復合也賦予了支架良好的生物相容性、細胞粘附性和成骨分化能力，而VEGF的控釋使得支架能夠促進血管生成（圖1）。

首先，研究者使用顯微鏡和掃描電鏡觀察了支架的形狀、層疊結(jié)構(gòu)和表面孔隙率 ，并使用能量色散光譜分析了支架中的Ca、Mg、Fe元素，結(jié)果表明PP的成骨成分成功裝載在支架中。從圖2d、e可以看出支架的纖維具有清晰的分層結(jié)構(gòu)，而沒有互相融合分散。且支架的纖維之間留有空隙形成了較高的孔隙度，便于氧氣和營養(yǎng)因子的交換及生物活性因子的釋放。能量色散光譜（EDS）結(jié)果顯示，PP中的微量元素Ca、Mg和Fe出現(xiàn)在支架中，這表明支架成功負載了PP（圖2g-i）。接著，研究者將熒光異硫氰酸鹽牛血清白蛋白（FITC-BSA）作為模型藥物包埋于支架中，然后將支架浸泡在磷酸鹽緩沖液（PBS）中，觀察并記錄支架的熒光。圖3a中所示的支架的均勻和明亮的熒光表明FITC-BSA的成功包封，而持續(xù)降低的熒光強度表明藥物的緩慢釋放。將支架分別與骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSC）和成骨細胞MC3T3-E1共培養(yǎng)，觀察支架的生物相容性。結(jié)果表明與對照組相比，支架組中的BMSCs和MC3T3-E1在培養(yǎng)3天后均顯示出理想的細胞密度和良好的形態(tài)（圖3c、e）。同時，支架與人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVEC）共孵育6 h后，與對照組相比可觀察到更多的管狀結(jié)構(gòu)形成，表明支架具有促血管生成作用（圖3d、f）。

然后，研究者通過堿性磷酸酶（ALP）和茜素紅（ARS）染色評估了支架的成骨活性，GelMA-PP組和GelMA-PP&VEGF組的具有更深的染色效果，定量結(jié)果也證實了其成骨效果更好（圖4a、b、d、e）。同時，PP中的一些其他活性蛋白和糖蛋白可能也有助于成骨，為了驗證這一猜想，研究者用BMSCs進行劃痕實驗，結(jié)果表明GelMA-PP組和GelMA-PP&VEGF組具有更強的促進干細胞遷移和募集的能力（圖4c、f）。

最后，研究者通過大鼠顱骨缺損模型，將支架植入缺損區(qū)域，觀察了8周后的骨再生情況。通過micro-CT分析，研究者發(fā)現(xiàn)與對照組和GelMA組相比，GelMA-PP和GelMA-PP&VEGF組的新生骨體積更大，其中GelMA-PP&VEGF組的體內(nèi)骨修復效果最佳（圖5a、c、d）。 HE染色也證實了支架處理組中新形成的骨組織更多（圖5b）。通過免疫熒光和免疫組化染色發(fā)現(xiàn)GelMA-PP&VEGF組能夠顯著提高成骨標志物OPN和OCN以及血管內(nèi)皮細胞標志物CD31的表達，說明該支架能夠通過成骨和血管生成的協(xié)同作用，有效地促進骨再生（圖6）。

綜上所述，研究者通過3D打印技術(shù)，實現(xiàn)了可控釋生物活性因子VEGF的PP、魚皮GelMA混合支架。PP具有鈣、鎂和鐵等成骨增強因子，魚皮GelMA基質(zhì)提供良好的細胞粘附能力，VEGF促進血管化，協(xié)同促進骨組織再生。

本研究由東南大學趙遠錦教授團隊完成，于2023年10月23日在線發(fā)表于Advanced Science。

論文信息：Yang L, Fan L, Lin X, Yu Y*, Zhao Y*. Pearl Powder Hybrid Bioactive Scaffolds from Microfluidic 3D Printing for Bone Regeneration. Adv Sci 2023, 23: e2304190.