3D打印復合支架促進骨形成和血管化
時間：2024-08-16 10:27 來源： EngineeringForLife 作者：admin 閱讀：次
相關研究內容以“Bioactive Polymer Composite Scaffolds Fabricated from 3D Printed Negative Molds Enable Bone Formation and Vascularization”為題于2024年7月30日發表在《Acta Biomaterialia》。
圖1 含微通道的多孔DPEHA支架制備
PVA細絲的3D打印產生在水平面上0、90度觀察到層狀垂直支柱，支柱直徑分別為250 μm和500 μm（圖1A）。在高內相乳液（HIPE）紫外光聚合、負模溶解和支架脫水之后，由此產生的微通道穿過垂直軸和水平軸上在整個支架相互連接（圖1B）。SEM圖像顯示，兩個支架通道表面上有小開孔，直徑為250 μm（250μC）和500 μm（500μC）的微通道。
圖2 多尺度孔隙度DPEHA polyHIPE支架的形態學特征
PolyHIPE材料的形態學特征在所有三種支架變化中都很明顯，如圓形和清晰的孔隙（圖2 A）。對支架材料孔徑直徑的測量表明，所有材料的孔尺寸都相似且正偏態分布，表明犧牲模板對內孔隙直徑的分布沒有顯著影響（圖2B）。 
圖3 含/不含微通道的DPEHA polyHIPE支架的力學表征
支架的壓縮模量、極限壓縮屈服強度和應力-應變曲線的測量值如圖3所示。結果顯示，-μC、250μC和500μC支架之間的壓縮模量沒有顯著差異(圖3A）。與非通道材料相比，250μC和500μC支架的極限抗壓強度均顯著降低（圖3B）。所有支架變化的應力-應變曲線均顯示出韌性材料具有相當大的彈性變形特征（圖3C），其J形非線性曲線代表polyHIPEs和其他生物材料的拉伸試驗應力-應變曲線。250μC和500μC支架在給定的應變值下均表現出較低的應力值，表明隨著在材料中引入微通道，機械響應發生改變。
圖4 多尺度孔隙度DPEHA polyHIPEs支架的體外評價
為了研究支架中的微通道是否能增強細胞在生物材料內部的遷移和定植，本研究將MG63骨肉瘤細胞接種到支架表面，培養長達28天（圖4A）。H&E染色顯示，與非通道支架相比，細胞浸潤到更多的內部區域；相反，在沒有通道的支架中，只有少數細胞浸潤到靠近支架表面的空隙中（圖4B）。SEM證實在單個通道內存在細胞，并觀察到密集的ECM層在通道表面和空間上擴散（圖4C）。用刃天青還原試驗測定支架培養4周后，支架中的細胞活力和增殖情況（圖4D）。結果與組織學結果一致，支架在整個培養期間均表現出高活力。
圖5 DPEHA polyHIPE支架中BMP-2的負載效率和累積釋放譜
接下來，本研究探索了負載BMP-2的polyHIPE支架的加載和釋放，以估計植入后可能發生的釋放譜。在所有支架中均觀察到相對較高的加載效果，-μC、250μC和500μC通道支架的負載效率無顯著差異（圖5A）。在最初的24小時內，所有的支架均表現出總負載BMP-2的低突發釋放，500μC支架的BMP-2累積釋放百分比最高，其次是250μC，-μC支架的釋放譜最低（圖5B）。
圖6 微通道DPEHA polyHIPE支架中MSC的浸潤和成骨分化
微通道PolyHIPE支架沉積在MSC單層上，將細胞在含有BMP-2的成骨分化培養基中培養3周（圖6A）。在培養的第21天，H&E染色顯示，與非通道PolyHIPE支架相比，微通道PolyHIPE支架中的細胞浸潤到更多的內部區域（圖6B）。此外，通道支架中較高的細胞浸潤翻譯較高水平的晚期成骨細胞分化標志物骨鈣素（圖6C、D）。
圖7 DPEHA polyHIPE支架植入顱骨缺損的血管化研究
本研究通過微注射MV-122，結合高分辨率X線CT，觀察犧牲模板polyHIPE支架獲得的三維血管網絡。血管包圍非負載支架的表面并靠近上下表面，包圍了polyHIPE支架的側面。-μC/-
BMP-2支架的血管主要在支架外表面。相比之下，250μC/-BMP-2和500μC/-BMP-2支架在整個支架上都有廣泛的、相互連接的血管浸潤（圖7A、B）。
圖8 微通道DPEHA polyHIPE支架誘導骨形成的定量研究
接下來，用較低分辨率（20 μm）的顯微CT掃描植入物，以量化支架誘導的新骨生長（圖8 A）。在沒有BMP-2的支架中，非通道組和通道組在缺損覆蓋、新骨總體積和垂直骨增加方面沒有顯著差異，而所有BMP-2組均表現出更大的缺損覆蓋范圍和更多新骨形成（圖8B、D）。此外，與通道較小的支架相比，通道較大的支架骨形成顯著增加（圖8C）。與有BMP-2但沒有微通道的支架相比，有BMP-2和微通道的支架的骨增強量增加近10倍（圖8D），表明微通道顯著促進新骨形成。然后對顱骨組織進行組織學處理，用Masson染色以進一步檢查polyHIPE支架內的新骨形成和細胞浸潤（圖8E）。
全文小結
綜上所述，本研究將乳劑模板與可提取的3D打印結合，制備了用于骨組織工程的具有多孔孔隙度的聚合物支架。所得到的支架有一個由乳化液模板產生的完全互聯的微孔網絡，以及一個直徑為250或500 μm的相互連接的網狀微通道網絡。在體外，骨肉瘤細胞（MG63）能夠更好地穿透微通道支架并填充支架內部。同樣，骨源性MSCs可以從單層培養向上遷移到非通道支架中，增殖并顯示成骨標記物。小鼠顱骨缺損模型結果表明，當添加骨誘導因子BMP-2時，微通道支架的骨誘導作用更大，以及微通道支架促進血管化。在500μm+ BMP-2中，8周后顱骨缺損幾乎完全閉合。總之，本研究結果表明，乳劑模板和負模通道的結合產生了很有前途的骨組織工程支架。
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.actbio.2024.07.038
(責任編輯：admin)
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