3D 打印仿生陶瓷支架用于腫瘤防治與骨修復(fù)

來源：EFL生物3D打印與生物制造

骨肉瘤是一種好發(fā)于青少年的惡性骨腫瘤，5年總體生存率低于20%。當(dāng)前主要治療手段為保肢手術(shù)聯(lián)合放化療，但存在兩大核心問題：一是手術(shù)難以徹底清除殘留腫瘤細(xì)胞，易導(dǎo)致復(fù)發(fā)，而放化療副作用顯著；二是腫瘤侵襲常造成嚴(yán)重骨缺損，自體修復(fù)能力有限，易引發(fā)功能障礙。   

針對上述痛點，廣東工業(yè)大學(xué)的何福坡、廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所的吳婷婷和陸特良以及廣東省人民醫(yī)院的張余研究團隊合作，開發(fā)了一種具有光熱/化學(xué)動力學(xué)效應(yīng)和離子調(diào)控功能的3D打印仿生陶瓷支架。該支架以鋅摻雜β-磷酸三鈣陶瓷為基體，表面包覆負(fù)載鐵離子和Ti₃C₂ MXene的多巴胺修飾透明質(zhì)酸水凝膠膜。在腫瘤微環(huán)境中，水凝膠快速降解釋放鐵離子，通過消耗谷胱甘肽和誘導(dǎo)羥基自由基生成，協(xié)同近紅外光觸發(fā)的光熱效應(yīng)，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡；腫瘤清除后，鋅、鐵離子持續(xù)釋放促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化和內(nèi)皮細(xì)胞血管生成，實現(xiàn)血管化骨組織再生。   

相關(guān)研究以“3D㏄rinted Biomimetic Ceramic Scaffolds with Photothermal/Chemodynamic Effects and Ionic Microenvironment for Preventing Tumor Recurrence and Promoting Vascularized Bone Reconstruction”為題，發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所陸特良為第一作者

圖1. ZnTP@Fe/TC支架用于骨肉瘤光熱/化學(xué)動力學(xué)消融及血管化骨重建的示意圖。

研究內(nèi)容
1. Ti₃C₂的制備及Fe/TC的化學(xué)動力學(xué)活性，通過X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）及元素 mapping等表征手段，研究了多層Ti₃C₂的結(jié)構(gòu)與組成；利用鄰菲羅啉顯色法、TMB羥基自由基檢測及DTNB谷胱甘肽消耗實驗，分析了Fe³⁺與Ti₃C₂的相互作用及ROS生成能力。結(jié)果表明，酸性條件下Ti₃C₂可將Fe³⁺還原為Fe²⁺，觸發(fā)Fe³⁺/Fe²⁺氧化還原循環(huán)，顯著提升Fenton反應(yīng)效率，促進(jìn)·OH生成并消耗GSH，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡。      

圖2. Ti₃C₂（TC）的制備及Fe/TC的化學(xué)動力學(xué)活性表征。   

2. ZnTP@Fe/TC支架的構(gòu)建與性能，采用化學(xué)沉淀法合成鋅摻雜β-磷酸三鈣（ZnTP）陶瓷粉末，通過擠出式3D打印技術(shù)制備多孔支架，結(jié)合負(fù)壓浸潤法包覆多巴胺修飾透明質(zhì)酸（HA-DA）水凝膠膜并負(fù)載Fe³⁺和Ti₃C₂。通過FTIR、NMR、SEM及EDS等手段驗證支架結(jié)構(gòu)，利用pH響應(yīng)降解實驗和近紅外光熱測試評估其腫瘤微環(huán)境響應(yīng)性。結(jié)果顯示，HA-DA水凝膠在酸性條件下快速降解并釋放鐵離子，支架在808 nm激光照射下可升溫至55°C以上，且光熱穩(wěn)定性良好。      

圖3. 功能化仿生支架ZnTP@Fe/TC的構(gòu)建與表征。   

3. 體外抗腫瘤效果及機制，通過CCK8法、活/死細(xì)胞染色及流式細(xì)胞術(shù)，研究了支架對人骨肉瘤143B細(xì)胞的殺傷能力；利用DCFH-DA熒光探針、ELISA及C11-BODIPY染色，分析了ROS積累、谷胱甘肽（GSH）消耗、脂質(zhì)過氧化（LPO）及鐵死亡相關(guān)蛋白表達(dá)。結(jié)果表明，ZnTP@Fe/TC在近紅外光下通過光熱（PTT）與化學(xué)動力學(xué)（CDT）協(xié)同作用，顯著提升腫瘤細(xì)胞凋亡率（34.1%）和ROS水平，下調(diào)GPX4表達(dá)并誘導(dǎo)鐵死亡。      

圖4. 功能化仿生支架的體外抗腫瘤性能分析。   

4. 體內(nèi)抗腫瘤及骨修復(fù)效果，通過裸鼠皮下腫瘤模型和大鼠顱骨缺損模型，結(jié)合H&E染色、TUNEL凋亡檢測、Ki67增殖標(biāo)記及Micro-CT重建，評估了支架的體內(nèi)抗腫瘤效率和血管化骨再生能力。結(jié)果顯示，ZnTP@Fe/TC+NIR組腫瘤清除率顯著提高，且顱骨缺損處新骨體積（BV/TV）和血管密度顯著高于對照組，鋅、鐵離子協(xié)同促進(jìn)成骨分化和血管生成。      

圖 5. 功能化仿生支架的體內(nèi)抗腫瘤分析。

圖 6. 功能化仿生支架的體外成骨和血管生成性能分析。

圖 7. 功能化仿生支架介導(dǎo)的體內(nèi)血管生成分析。

圖 8. 功能化仿生支架介導(dǎo)的顱骨缺損修復(fù)分析。

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了一種通過3D打印磷酸鈣陶瓷支架包覆HA-DA水凝膠膜負(fù)載鐵離子和Ti₃C₂的功能化仿生支架。HA-DA-Fe水凝膠膜可響應(yīng)腫瘤微環(huán)境快速降解，釋放的鐵離子與GSH反應(yīng)消耗谷胱甘肽，同時Ti₃C₂將Fe³⁺還原為Fe²⁺，通過Fenton反應(yīng)生成·OH，降低GPX4表達(dá)，促使ROS積累和LPO生成，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡。ZnTP@Fe/TC支架結(jié)合光熱與化學(xué)動力學(xué)療法，展現(xiàn)出顯著的抗骨肉瘤效果。此外，支架釋放的鋅和鐵離子可促進(jìn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞血管化及骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化，加速體內(nèi)血管化和新骨再生，利于骨缺損重建。本研究表明，這種負(fù)載納米顆粒和金屬離子的仿生陶瓷支架在預(yù)防腫瘤復(fù)發(fā)和治療腫瘤相關(guān)骨缺損方面具有應(yīng)用潛力。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202418438