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3D打印Janus異質微球精準控釋實現全周期調控骨再生

時間：2024-08-27 08:43 來源： EngineeringForLife 作者：admin 閱讀：次

      據統計，全球每年骨移植手術量約200萬例，盡管自體骨及同種異體骨移植具有良好的骨再生效果，但由于存在供區并發癥及供體來源限制等問題，仍有90%以上的手術需借助骨移植材料完成，因此，目前臨床對骨移植材料具有龐大的需求。由于天然骨組織以磷酸鈣為主體成分，因此現有骨替代品主要以磷酸鈣基材料為主，通過將鈣磷原料直接供給缺損區，實現骨引導作用。然而，文獻表明，該類磷酸鈣基材料植入體內后，并非直接與受區融合成骨，而是通過降解再成骨的方式促進骨再生，同時，其降解率較低，長期的空間占位也影響了新骨的有效重建。因此，這種以成熟骨組織的主要化學成分作為骨替代品的主要成分的Top down策略存在成骨效率低、影響新骨的高效再生等缺點。
      基于此，浙江大學醫學院附屬口腔醫院謝志堅教授、石玨醫師團隊與浙江大學機械工程學院賀永教授團隊合作，通過解析骨再生序列事件，研發設計了通用型Janus異質微球控釋系統，通過精準調控異質微球的釋放行為，靶向骨愈合過程中多個生物學事件，從而實現全周期高效促進骨再生，相關研究“A Janus Microsphere Delivery System Orchestrates Immunomodulation and Osteoinduction by Fine-tuning Release Profiles”以封面文章發表于《Small》雜志（DOI: 10.1002/smll.202403835），浙大附屬口腔醫院博士生史洋及碩士生顧靜怡為共同第一作者。
       研究人員通過深入剖析骨愈合的多個生物學事件，包括炎癥期、修復期、礦化期等，采用性能高度可調的甲基丙烯酰化明膠實現對臨床常用生物活性分子骨形態蛋白-2（BMP-2）及磷酸鈣材料（CPO）的精準控釋，以最簡單的“配方”實現對復雜生物學過程的按需調控，該Bottom up（自下而上）再生調控策略（靶向骨再生系列生物學事件設計骨替代品）為臨床骨替代品的革新提供了新思路。

基于Bottom up再生理念的Janus異質微球控釋系統

1.Janus異質微球控釋系統的設計與制造
研究人員選用性能高度可調的GelMA水凝膠作為Janus異質微球控釋系統的主體成分，通過調控GelMA的取代率，實現對雙重生物活性成分（BMP-2和CPO）的精準控釋。載活性成分的不同取代率GelMA基墨水均具有理想的流變性能（圖1 A、B），為高精度投影式光固化3D打印制造提供了前提條件。在軟件中設計Janus形態的異質微球后（圖1 C），利用EFL的光固化打印機(EFL-BP86系列生物3D打印機)成功構建了粒徑約為1 mm的Janus異質微球（圖1 D-F），該微球具備理想的可注射性能（圖1 G、H），有助于嚴密填充復雜形態的骨缺損。

圖1 Janus異質微球的設計與制造

2.Janus異質微球的理化性能探索
Janus異質微球表面完整，呈微納級多孔狀微結構（圖2 A），含CPO的一側微球能檢測到鈣元素分布（圖2 B），表明投影式光固化3D打印技術能實現微球雙相成分的精準制造。傅里葉紅外結果進一步表明CPO與GelMA之間存在化學結合力（圖2 C），這為精準控釋CPO提供了前提條件。將不同取代率的GelMA水凝膠分別負載BMP-2及CPO，實現了對雙重活性成分的靈活控釋，低取代率GelMA能快速釋放因子，而高取代率GelMA則具有可控的釋放性能（圖2 D、E），同時，其控釋行為也一定程度受到該系統的整體降解及溶脹性能的調控（圖2 F、G）。

圖2 Janus異質微球的理化性能探索

(責任編輯：admin)

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