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3D打印Janus異質(zhì)微球精準(zhǔn)控釋實現(xiàn)全周期調(diào)控骨再生

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

      據(jù)統(tǒng)計，全球每年骨移植手術(shù)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(qū)并發(fā)癥及供體來源限制等問題，仍有90%以上的手術(shù)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(xiàn)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(qū)，實現(xiàn)骨引導(dǎo)作用。然而，文獻(xiàn)表明，該類磷酸鈣基材料植入體內(nèi)后，并非直接與受區(qū)融合成骨，而是通過降解再成骨的方式促進(jìn)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(xué)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(xué)醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院謝志堅教授、石玨醫(yī)師團(tuán)隊與浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院賀永教授團(tuán)隊合作，通過解析骨再生序列事件，研發(fā)設(shè)計了通用型Janus異質(zhì)微球控釋系統(tǒng)，通過精準(zhǔn)調(diào)控異質(zhì)微球的釋放行為，靶向骨愈合過程中多個生物學(xué)事件，從而實現(xiàn)全周期高效促進(jìn)骨再生，相關(guān)研究“A Janus Microsphere Delivery System Orchestrates Immunomodulation and Osteoinduction by Fine-tuning Release Profiles”以封面文章發(fā)表于《Small》雜志（DOI: 10.1002/smll.202403835），浙大附屬口腔醫(yī)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(xué)事件，包括炎癥期、修復(fù)期、礦化期等，采用性能高度可調(diào)的甲基丙烯�；髂z實現(xiàn)對臨床常用生物活性分子骨形態(tài)蛋白-2（BMP-2）及磷酸鈣材料（CPO）的精準(zhǔn)控釋，以最簡單的“配方”實現(xiàn)對復(fù)雜生物學(xué)過程的按需調(diào)控，該Bottom up（自下而上）再生調(diào)控策略（靶向骨再生系列生物學(xué)事件設(shè)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(zhì)微球控釋系統(tǒng)

1.Janus異質(zhì)微球控釋系統(tǒng)的設(shè)計與制造
研究人員選用性能高度可調(diào)的GelMA水凝膠作為Janus異質(zhì)微球控釋系統(tǒng)的主體成分，通過調(diào)控GelMA的取代率，實現(xiàn)對雙重生物活性成分（BMP-2和CPO）的精準(zhǔn)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(shè)計Janus形態(tài)的異質(zhì)微球后（圖1 C），利用EFL的光固化打印機(jī)(EFL-BP86系列生物3D打印機(jī))成功構(gòu)建了粒徑約為1 mm的Janus異質(zhì)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(yán)密填充復(fù)雜形態(tài)的骨缺損。

圖1 Janus異質(zhì)微球的設(shè)計與制造

2.Janus異質(zhì)微球的理化性能探索
Janus異質(zhì)微球表面完整，呈微納級多孔狀微結(jié)構(gòu)（圖2 A），含CPO的一側(cè)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(shù)能實現(xiàn)微球雙相成分的精準(zhǔn)制造。傅里葉紅外結(jié)果進(jìn)一步表明CPO與GelMA之間存在化學(xué)結(jié)合力（圖2 C），這為精準(zhǔn)控釋CPO提供了前提條件。將不同取代率的GelMA水凝膠分別負(fù)載BMP-2及CPO，實現(xiàn)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(tǒng)的整體降解及溶脹性能的調(diào)控（圖2 F、G）。

圖2 Janus異質(zhì)微球的理化性能探索

(責(zé)任編輯：admin)

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