3D打印Mg2+持續(xù)釋放壓電支架通過促進(jìn)神經(jīng)和血管生成分化以增強骨再生

供稿人：張益涵、王玲
供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打�。┓謺�

天然骨是由有機和無機成分組成的復(fù)合組織，表現(xiàn)出壓電性。白磷鈣石（WH）是一種天然的含鎂磷酸鈣，由于其燒結(jié)處理后具有獨特的壓電性能和鎂離子（Mg 2+）的持續(xù)釋放，近年來在骨形成方面引起了人們的極大關(guān)注。

北京化工大學(xué)有機復(fù)合材料國家重點實驗室蔡晴教授團隊提出了第一個具有持續(xù)Mg 2+釋放的仿生壓電支架的例子。通過熔融擠出成形（FDM）方式制備壓電WH（PWH）和聚己內(nèi)酯（PCL）組成的復(fù)合支架（表示為PWH支架），如圖1所示。該支架滿足神經(jīng)血管化骨組織再生的生理需求，即在缺損部位提供內(nèi)源性電場。同時，WH支架中Mg 2+的持續(xù)釋放顯示出多種生物活性，與壓電效應(yīng)在抑制破骨細(xì)胞活化、促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）向神經(jīng)、血管和成骨方向分化方面表現(xiàn)出較強的協(xié)同效應(yīng)。

圖1 骨特異性電活性含PWH的有機-無機復(fù)合支架的設(shè)計的示意圖

PWH NP和PWH復(fù)合支架的制備和表征如圖2所示，為了比較，該團隊打印非電活性PCL、PCL/WH（為了簡化，表示為WH scaff fold）和PCL/β-TCP（β-磷酸三鈣，為了簡化，表示為β-TCP支架）支架。壓電PWH NP在再生骨組織方面顯示出優(yōu)于WH NP和β-TCP NP的優(yōu)勢，WH的支架都表現(xiàn)出Mg和Ca離子的持續(xù)釋放長達(dá)21天。上述結(jié)果共同證明PWH支架具有上級的壓電性和生物活性離子的持續(xù)釋放，這有望有利于骨再生。

圖2        (A)基于PWH NP的3D打印復(fù)合支架的制造過程圖(B)WH NP的代表性SEM圖像 (C)各種復(fù)合膜的CV曲線（D）AC阻抗曲線（±表示退火與否）(E)退火處理（650 ℃，3小時）前后WH NP的XRD圖和（F）FTIR光譜圖 (G)各種支架的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (H)PWH和WH支架的Mg 2+和Ca 2+釋放曲線 (I)3D打印PWH支架的照片 (J)代表性SEM和P、Ca和Mg元素映射圖像

部分細(xì)胞實驗及動物實驗過程及結(jié)果如圖3所示。綜合體外實驗的總體結(jié)果充分證明，PWH支架可以促進(jìn)神經(jīng)元分化，增強血管生成，抑制破骨細(xì)胞，從而增強骨再生。此外，與 WH 支架（即缺乏電活性）和 β-TCP 支架（即缺乏電活性和 Mg2+ 供應(yīng)）相比，這些特征使得 PWH 支架在修復(fù)大鼠顱骨缺損方面表現(xiàn)得更好。源自 PWH 支架的 Mg2+ 和壓電的協(xié)同效應(yīng)可以顯著促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生和血管生成，從而增強骨生成。因此，我們預(yù)計這種骨特異性仿生支架可以為骨再生提供一種有前途的策略，這可以極大地拓寬WH/PWH在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。

圖3 (A)RT-PCR評價骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞神經(jīng)源性和血管源性分化的實驗過程示意圖 (B)SD大鼠顱骨缺損模型建立以及通過促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生和血管生成來增強骨再生機制 (C)CAM測試實驗示意圖 (D)支架及注射支架提取物刺激的血管生成可視化圖像 (E)大鼠頭骨的重建 3D 顯微 CT 圖像

參考文獻(xiàn)：
WANG L Y, PANG Y Y, TANG Y J, et al. A biomimetic piezoelectric scaffold with sustained Mg release promotes neurogenic and angiogenic differentiation for enhanced bone regeneration [J]. Bioactive Materials, 2023, 25: 399-414.