上海硅酸鹽所3D打印仿生蓮藕陶瓷支架，可促進組織再生

▲受自然界啟發(fā)制備出仿生蓮藕支架用于骨組織工程。（c-g）材料制備過程

在臨床上大塊骨缺損的修復(fù)一直是一個挑戰(zhàn)，由于3D打印技術(shù)可以便捷的制備形狀可控的多孔支架材料，而被廣泛應(yīng)用于生物材料和骨組織工程領(lǐng)域。傳統(tǒng)3D打印支架具有多孔的結(jié)構(gòu)，將材料植入缺損部位后，營養(yǎng)物質(zhì)和細胞會沿著孔向內(nèi)滲入支架內(nèi)部，進而有利于骨組織向內(nèi)長入，最終促進骨缺損的修復(fù)。然而，傳統(tǒng)3D打印支架在大塊骨缺損方面仍顯不足。首先，傳統(tǒng)3D打印支架都是由實心的基元堆疊而成，大大降低了材料的孔隙率；其次，傳統(tǒng)3D打印支架的孔隙呈階梯三維延伸狀，并沒有形成平直的孔道狀，因此在流體力學上有較強的流體阻力，不利于營養(yǎng)物質(zhì)和細胞滲入支架內(nèi)部，從而阻礙了修復(fù)過程中的成血管和成骨。

▲3D打印仿生蓮藕支架理化性質(zhì)的調(diào)控（a）不同材料（b）不同形狀（c）不同孔道尺寸

　　
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員與常江研究員帶領(lǐng)的研究團隊在3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)生物陶瓷用于血管化大塊骨缺損修復(fù)方面取得了新進展。該研究團隊受到自然界中蓮藕內(nèi)部平行多通道結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，采用3D打印制備出仿生蓮藕支架，并與上海交通大學附屬第九人民醫(yī)院蔣欣泉團隊合作進一步發(fā)現(xiàn)該類支架相對于傳統(tǒng)3D打印支架具有顯著提高大塊骨缺損的修復(fù)的能力。該研究成果發(fā)表在《Advanced Science》（ 南極熊.3D打印仿生蓮藕用于組織再生.pdf (1.71 MB, 下載次數(shù): 501)

2017-11-7 11:03 上傳

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）。論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生馮春，指導(dǎo)導(dǎo)師為吳成鐵研究員，并申請專利一項。

　▲仿生蓮藕支架孔隙率和力學強度的調(diào)控（a）三種不同基元堆砌方式的仿生蓮藕支架（b）孔隙率（c）力學強度

　　
該研究團隊把傳統(tǒng)3D打印支架每個基元的內(nèi)部做成平行多通道結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有望大大促進新血管和骨組織的長入，有利于骨缺損的修復(fù)，并重新設(shè)計了內(nèi)部共軸鑲嵌的擠壓式3D打印針頭，通過改進的3D打印制備方法，實現(xiàn)了一次性打印仿生蓮藕支架。并且通過該改進的3D打印方法，能夠便捷地調(diào)控仿生蓮藕支架的物理和化學性質(zhì)。采用該方法不僅可以用各種生物陶瓷（Akermanite, Al2O3, ZrO2）、金屬Fe和高分子海藻酸鈉等多種材料制備出仿生蓮藕支架，而且能制備出不同形狀、孔道數(shù)目、孔道直徑的仿生蓮藕支架。除此之外，還可以通過調(diào)控3D支架的基元堆砌方式和孔道數(shù)目來調(diào)控該仿生蓮藕支架的孔隙率和力學強度。該仿生蓮藕支架的最高孔隙率達到了80%，力學強度可以達到40MPa以上，能夠滿足骨缺損修復(fù)材料的要求。

▲仿生蓮藕支架的體內(nèi)生物學分析（a）兔子間充質(zhì)干細胞（BMSCs）在仿生蓮藕支架上的SEM照片，（c-e）細胞培養(yǎng)在支架上第3天的共聚焦顯微鏡照片，仿生蓮藕支架的（f）細胞粘附和（g）增殖結(jié)果

該研究團隊進一步通過選擇生物活性良好的鎂黃長石（Akermanite）陶瓷作為基體代表材料，來探究這種仿生蓮藕材料在骨組織再生工程中的性能和應(yīng)用，分別制備了具有單孔道、雙孔道、三孔道和四孔道的仿生蓮藕生物陶瓷支架。體外生物學分析結(jié)果表明，與傳統(tǒng)3D支架相比，該仿生蓮藕鎂黃長石生物陶瓷支架更有利于細胞的粘附和增殖，并且隨著通道數(shù)目的增加，其效果越明顯增加。體內(nèi)動物實驗表明該仿生蓮藕生物支架大大提高了骨組織再生能力和成血管化效應(yīng)，有利于骨缺損的修復(fù)。與傳統(tǒng)的3D生物活性支架相比，該3D打印仿生蓮藕生物支架更有利于營養(yǎng)物質(zhì)向支架內(nèi)部的傳輸，引導(dǎo)細胞和組織向內(nèi)長入，從而促進前期的成血管以及后期的成骨，提高了骨缺損的修復(fù)性能。并由于其多通道高孔隙率的結(jié)構(gòu)特點，該種材料還可以用于藥物大分子裝載、表面功能化修飾以及催化、能源、環(huán)境等其他領(lǐng)域。

▲仿生蓮藕支架的體外生物學分析。4周的大鼠肌袋植入實驗中，（a）大量細胞長入蓮藕狀孔道內(nèi)部，（b,c）血管微灌注實驗結(jié)果表明，血管成功長入到孔道內(nèi)；12周的兔子顱骨缺損實驗中的（d,e）micro-CT和（f）組織切片VG染色結(jié)果，（g）骨缺損部位新骨的統(tǒng)計學分析結(jié)果都表明仿生蓮藕支架具有更好的骨修復(fù)能力。

相關(guān)研究得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然基金、中國科學院前沿科學研究計劃等基金的資助。

延伸閱讀：《中科院科學家生物3D打印陶瓷支架可用于骨腫瘤治療》

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來源：中國科學院上海硅酸鹽研究所