3D打印新型生物活性支架用于骨再生
時間：2024-01-23 15:12 來源：BCML速遞 作者：admin 閱讀：次
模擬骨組織細胞外基質對開發生物活性骨再生支架材料具有重要意義。受到骨組織組成與自然礦化產物的啟發，研究者選擇珍珠粉（PP）作為一種與骨組織成分相似的生物活性材料，與魚皮甲基丙烯酸明膠（GelMA）和血管內皮生長因子（VEGF）結合，制備出一種能夠促進骨再生的復合支架。同時借助3D打印技術精確控制支架的組成和結構，以滿足臨床需求。魚皮GelMA與PP的復合也賦予了支架良好的生物相容性、細胞粘附性和成骨分化能力，而VEGF的控釋使得支架能夠促進血管生成（圖1）。
首先，研究者使用顯微鏡和掃描電鏡觀察了支架的形狀、層疊結構和表面孔隙率 ，并使用能量色散光譜分析了支架中的Ca、Mg、Fe元素，結果表明PP的成骨成分成功裝載在支架中。從圖2d、e可以看出支架的纖維具有清晰的分層結構，而沒有互相融合分散。且支架的纖維之間留有空隙形成了較高的孔隙度，便于氧氣和營養因子的交換及生物活性因子的釋放。能量色散光譜（EDS）結果顯示，PP中的微量元素Ca、Mg和Fe出現在支架中，這表明支架成功負載了PP（圖2g-i）。接著，研究者將熒光異硫氰酸鹽牛血清白蛋白（FITC-BSA）作為模型藥物包埋于支架中，然后將支架浸泡在磷酸鹽緩沖液（PBS）中，觀察并記錄支架的熒光。圖3a中所示的支架的均勻和明亮的熒光表明FITC-BSA的成功包封，而持續降低的熒光強度表明藥物的緩慢釋放。將支架分別與骨髓間充質干細胞（BMSC）和成骨細胞MC3T3-E1共培養，觀察支架的生物相容性。結果表明與對照組相比，支架組中的BMSCs和MC3T3-E1在培養3天后均顯示出理想的細胞密度和良好的形態（圖3c、e）。同時，支架與人臍靜脈內皮細胞（HUVEC）共孵育6 h后，與對照組相比可觀察到更多的管狀結構形成，表明支架具有促血管生成作用（圖3d、f）。
然后，研究者通過堿性磷酸酶（ALP）和茜素紅（ARS）染色評估了支架的成骨活性，GelMA-PP組和GelMA-PP&VEGF組的具有更深的染色效果，定量結果也證實了其成骨效果更好（圖4a、b、d、e）。同時，PP中的一些其他活性蛋白和糖蛋白可能也有助于成骨，為了驗證這一猜想，研究者用BMSCs進行劃痕實驗，結果表明GelMA-PP組和GelMA-PP&VEGF組具有更強的促進干細胞遷移和募集的能力（圖4c、f）。
綜上所述，研究者通過3D打印技術，實現了可控釋生物活性因子VEGF的PP、魚皮GelMA混合支架。PP具有鈣、鎂和鐵等成骨增強因子，魚皮GelMA基質提供良好的細胞粘附能力，VEGF促進血管化，協同促進骨組織再生。
本研究由東南大學趙遠錦教授團隊完成，于2023年10月23日在線發表于Advanced Science。
論文信息：Yang L, Fan L, Lin X, Yu Y*, Zhao Y*. Pearl Powder Hybrid Bioactive Scaffolds from Microfluidic 3D Printing for Bone Regeneration. Adv Sci 2023, 23: e2304190.
首先，研究者使用顯微鏡和掃描電鏡觀察了支架的形狀、層疊結構和表面孔隙率 ，并使用能量色散光譜分析了支架中的Ca、Mg、Fe元素，結果表明PP的成骨成分成功裝載在支架中。從圖2d、e可以看出支架的纖維具有清晰的分層結構，而沒有互相融合分散。且支架的纖維之間留有空隙形成了較高的孔隙度，便于氧氣和營養因子的交換及生物活性因子的釋放。能量色散光譜（EDS）結果顯示，PP中的微量元素Ca、Mg和Fe出現在支架中，這表明支架成功負載了PP（圖2g-i）。接著，研究者將熒光異硫氰酸鹽牛血清白蛋白（FITC-BSA）作為模型藥物包埋于支架中，然后將支架浸泡在磷酸鹽緩沖液（PBS）中，觀察并記錄支架的熒光。圖3a中所示的支架的均勻和明亮的熒光表明FITC-BSA的成功包封，而持續降低的熒光強度表明藥物的緩慢釋放。將支架分別與骨髓間充質干細胞（BMSC）和成骨細胞MC3T3-E1共培養，觀察支架的生物相容性。結果表明與對照組相比，支架組中的BMSCs和MC3T3-E1在培養3天后均顯示出理想的細胞密度和良好的形態（圖3c、e）。同時，支架與人臍靜脈內皮細胞（HUVEC）共孵育6 h后，與對照組相比可觀察到更多的管狀結構形成，表明支架具有促血管生成作用（圖3d、f）。
然后，研究者通過堿性磷酸酶（ALP）和茜素紅（ARS）染色評估了支架的成骨活性，GelMA-PP組和GelMA-PP&VEGF組的具有更深的染色效果，定量結果也證實了其成骨效果更好（圖4a、b、d、e）。同時，PP中的一些其他活性蛋白和糖蛋白可能也有助于成骨，為了驗證這一猜想，研究者用BMSCs進行劃痕實驗，結果表明GelMA-PP組和GelMA-PP&VEGF組具有更強的促進干細胞遷移和募集的能力（圖4c、f）。
最后，研究者通過大鼠顱骨缺損模型，將支架植入缺損區域，觀察了8周后的骨再生情況。通過micro-CT分析，研究者發現與對照組和GelMA組相比，GelMA-PP和GelMA-PP&VEGF組的新生骨體積更大，其中GelMA-PP&VEGF組的體內骨修復效果最佳（圖5a、c、d）。
HE染色也證實了支架處理組中新形成的骨組織更多（圖5b）。通過免疫熒光和免疫組化染色發現GelMA-PP&VEGF組能夠顯著提高成骨標志物OPN和OCN以及血管內皮細胞標志物CD31的表達，說明該支架能夠通過成骨和血管生成的協同作用，有效地促進骨再生（圖6）。
綜上所述，研究者通過3D打印技術，實現了可控釋生物活性因子VEGF的PP、魚皮GelMA混合支架。PP具有鈣、鎂和鐵等成骨增強因子，魚皮GelMA基質提供良好的細胞粘附能力，VEGF促進血管化，協同促進骨組織再生。
本研究由東南大學趙遠錦教授團隊完成，于2023年10月23日在線發表于Advanced Science。
論文信息：Yang L, Fan L, Lin X, Yu Y*, Zhao Y*. Pearl Powder Hybrid Bioactive Scaffolds from Microfluidic 3D Printing for Bone Regeneration. Adv Sci 2023, 23: e2304190.
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