用于引導細胞遷移和定向骨生長的海螺狀3D打印支架

供稿人：雷沁霖、高琳
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打印）分會

嚴重骨缺損的再生在臨床上仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。開發(fā)再生支架來定向引導骨骼生長是克服這一障礙的潛在策略。而海螺是一種在海洋中廣泛分布的生物，它有堅硬的螺旋外殼，可以沿著螺旋方向不斷生長。海螺的生長策略可能會啟發(fā)制造再生支架來定向引導骨骼生長的實現(xiàn)。

受海螺生理特征的啟發(fā)，中國科學院上海陶瓷研究所高性能陶瓷與超細微結構國家重點實驗室成功制備了一種基于β-TCP生物陶瓷材料的海螺狀支架，用于通過基于數(shù)字光處理的3D打印引導定向骨生長。得益于螺旋結構，與傳統(tǒng)的3D支架相比，海螺狀支架在體外顯著改善了細胞粘附、增殖和成骨分化。

圖1 3D打印支架的制備和在引導骨定向生長中的應用示意圖

團隊使用基于數(shù)字光處理的光固化3D打印機制造海螺狀支架。其中，印刷層厚度固定在50μm，固化光源的波長為405nm。第一層的暴露時間為40s，其他層為8s。印刷后，將樣品從印刷平臺上取出，并用酒精仔細超聲清洗20s。清潔步驟重復兩次以去除殘留的漿料。然后，將清潔后的生坯置于405nm便攜式光源下1小時進行二次固化。最后，在馬弗爐中對坯體進行脫苦，并按照程序燒結。

通過3D打印的方式，設計者可以靈活準確地控制支架的形態(tài)、結構、孔隙率和力學性能等各項參數(shù)。其次，與傳統(tǒng)的交叉支撐支架相比，海螺狀支架可以提高材料的運輸能力，增強接種的兔骨髓干細胞的生物學行為，包括粘附、增殖和成骨分化。特別是海螺狀支架可以引導細胞沿著垂直方向遷移，這就像“細胞爬樓梯”。此外，支架很好地引導了自下而上的定向骨生長，并增強了體內骨再生。因此，這項研究表明，3D打印海螺狀支架將是修復嚴重骨缺損甚至四肢的一種很有前途的待選方案。此外，這項研究為復雜組織再生仿生材料的設計和制造提供了一種很有前途的策略。

參考文獻：
Boshi Feng, Meng Zhang, Chen Qin, Dong Zhai, Yufeng Wang et al. 3D printing of conch-like scaffolds for guiding cell migration and directional bone growth. Bioactive Materials, 22 (2023) 127-140.