上海硅酸鹽所吳成鐵與常江團隊等：制備出3D打印仿生蓮藕支架

【成果簡介】

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領的研究團隊，在3D打印復雜結構生物陶瓷用于血管化大塊骨缺損修復方面取得新進展。該研究團隊受到自然界中蓮藕內部平行多通道結構的啟發，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院蔣欣泉團隊合作，進一步發現該類支架相對于傳統3D打印支架，具有顯著提高大塊骨缺損的修復的能力。相關研究成果發表在Advanced Science上，并申請專利一項。

【圖文導讀】

圖1 仿生蓮藕支架孔隙率和力學強度的調控

（a）三種不同基元堆砌方式的仿生蓮藕支架

（b,c）具有不同數目孔道和堆砌方式的仿生蓮藕支架的（b）孔隙率和（c）力學強度

圖2 仿生蓮藕支架的體內生物學分析

（a，b）兔子間充質干細胞（BMSCs）在仿生蓮藕支架上的SEM照片

（c-e）細胞培養在支架上第3天的共聚焦顯微鏡照片

（f,g）仿生蓮藕支架的（f）細胞粘附和（g）增殖結果

【研究內容】

臨床上，大塊骨缺損的修復是人類面臨的挑戰之一，3D打印技術可以便捷的制備形狀可控的多孔支架材料，廣泛應用于生物材料和骨組織工程領域。傳統3D打印支架具有多孔的結構，將材料植入缺損部位后，營養物質和細胞沿著孔向內滲入支架內部，有利于骨組織向內長入，促進骨缺損的修復。然而，傳統3D打印支架在大塊骨缺損方面仍顯不足。傳統3D打印支架由實心的基元堆疊而成，降低了材料的孔隙率；傳統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，在流體力學上有較強的流體阻力，不利于營養物質和細胞滲入支架內部，阻礙了修復過程中的成血管和成骨。

該研究團隊把傳統3D打印支架每個基元的內部做成平行多通道結構，這種結構有望促進新血管和骨組織的長入，有利于骨缺損的修復，并重新設計了內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，實現一次性打印仿生蓮藕支架，改進的3D打印方法能夠調控仿生蓮藕支架的物理和化學性質。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、孔道數目、孔道直徑的仿生蓮藕支架。此外，通過調控3D支架的基元堆砌方式和孔道數目，來調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80%，力學強度可達40MPa以上，能滿足骨缺損修復材料的要求。

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。體外生物學分析結果表明，與傳統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，并隨著通道數目的增加，其效果越明顯增加。體內動物實驗表明，該仿生蓮藕生物支架提高了骨組織再生能力和成血管化效應，有利于骨缺損的修復。與傳統的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物質向支架內部的傳輸，引導細胞和組織向內長入，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性能。由于其多通道高孔隙率的結構特點，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、環境等其他領域。

研究工作得到了中組部青年千人計劃、國家重點研發計劃和國家自然基金、中科院前沿科學研究計劃等的資助。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201711/t20171101_4620142.shtml

文獻鏈接：3D Printing of Lotus Root-Like Biomimetic Materials for Cell Delivery and Tissue Regeneration（Adv. Sci.,2017,DOI:10.1002/advs.201700401）

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