Adv. Funct. Mater.：3D打印Mn-TCP雙聯生物陶瓷支架用于骨-軟骨再生

【引言】

骨關節炎（OA）是目前常見的一種疾病，該病會損傷關節軟骨，進而導致軟骨下骨的變形。然而目前的治療方法如自體軟骨細胞移植等大都針對軟骨表層接縫的再生治療，不能有效地用于整個骨軟骨缺損的再生。骨軟骨組織主要由軟骨及軟骨下骨構成，二者具有不同的生物學特征。正是因為這一特點，使得早期研究出的生物支架材料都僅僅只能用于單純的骨組織或者軟骨組織再生中。雖然后期的雙相及三相支架材料實現了對軟骨和軟骨下組織的模擬，但對于模擬復雜的骨軟骨組織界面仍顯不足。因此，構建兼具軟骨-軟骨下骨一體化修復的3D打印生物陶瓷支架是當前研究的一項重要任務。

【成果簡介】

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員和南京醫科大學王黎明教授（共同通訊作者）團隊在Advanced Functional Materials上發表了題為“3D Printing of Bilineage Constructive Biomaterials for Bone and Cartilage Regeneration”的研究論文，報道了結合二價錳離子和磷酸三鈣構建兼具軟骨-軟骨下骨一體化修復的3D打印生物陶瓷支架的方法，他們利用3D打印技術制備了不同Mn摻雜量的Mn-TCP生物支架陶瓷，產品兼具了Mn和磷酸三鈣支架的優點，且體內修復實驗表明，Mn-TCP支架可以顯著促進軟骨下骨和軟骨組織的生成，生物學上滿足軟骨和軟骨下骨同時再生的要求，有望用于骨關節炎的治療當中。

【圖文導讀】

圖1：不同Mn摻雜量（純TCP，2.5Mn-TCP，5Mn-TCP，10Mn-TCP）的TCP材料的表征

（A）650℃焙燒后的XRD譜圖；

（B）熱分析。純TCP以及Mn（2.5，5，10）-TCP的晶型轉變溫度分別為757.6℃，717.7℃，707.0℃，625℃；

（C）Mn的含量對于TCP晶體晶格中a，c軸參數的影響；

（D）Mn的含量對于TCP晶體單個晶胞體積的影響。

圖2：Mn-TCP生物陶瓷支架形貌表征圖

（A-D）依次為TCP，2.5 Mn-TCP，5 Mn-TCP，10 Mn-TCP的低倍照片；

（E-H）依次為TCP，2.5 Mn-TCP，5 Mn-TCP，10 Mn-TCP的高倍照片；

（I-L）依次為TCP，2.5 Mn-TCP，5 Mn-TCP，10 Mn-TCP的SEM圖片。

圖3：不同Mn摻雜量的TCP材料的進一步表征

（A）3D打印制備的材料的照片；

（B）純TCP及Mn（2.5，5，10）-TCP支架的抗壓性及多孔性的比較，Mn²⁺的摻雜增大了材料的抗壓性能；

（C）純TCP及Mn（2.5，5，10）-TCP支架材料在pH=7.4的Tris-HCl溶液中的降解行為；

（D）在Tris-HCl溶液中每個時間點Mn²⁺從支架材料中釋放的速率。

圖4：Mn²⁺對軟骨細胞相關基因表達的影響

（A-D）兔軟骨細胞與過量的不同Mn摻雜量的TCP一起培養7天后相對基因表達情況，其中：

（A）COL II 基因；

（B）聚集蛋白聚糖基因；

（C）SOX9基因；

（D）N-cadh基因.。

（E-H）兔骨髓間充質干細胞（rBMSCs）與過量的不同Mn摻雜量的TCP一起培養7天后相對基因表達情況，其中：

（E）COL I基因；

（F）BMP2基因；

（G）OPN基因；

（H）RUNX2基因。

圖5：不同Mn摻雜量的TCP提取物培養rBMSCs14天，堿性磷酸酶（ALP）活性和茜紅素分析

（A）APL活性額變化；

（B）相應的APL染色圖片；

（C）茜素紅定量分析；

（D）相應的茜素紅染色圖片。

圖6：Mn-TCP對細胞增殖及形狀的影響

（A）分別在純TCPP及Mn（2.5，5，10）-TCP支架上培養的兔軟骨細胞的增殖情況對比；

（B）在TCP及10 Mn-TCP支架上接種1天的軟骨細胞的SEM圖片，以及接種1天和7天后的CLSM圖片；

（C）分別在純TCP及Mn（2.5，5，10）-TCP支架上培養的rBMSCs的增殖情況對比；

（D）在TCP及10 Mn-TCP支架上接種1天的rBMSCs的SEM圖片，以及接種1天和7天后的CLSM圖片。

圖7：單一Mn²⁺對細胞的影響

（A）不同濃度的Mn²⁺處理細胞14天后的堿性磷酸酶分析及染色圖片；

（B）不同濃度的Mn²⁺處理細胞14天后的茜素紅定量分析及染色圖片。

圖8：Mn²⁺對軟骨細胞中HIF通路和自噬作用的影響

（A）不同濃度Mn²⁺處理的軟骨細胞中HIF-α基因的表達情況；

（B）OA軟骨細胞中，自噬相關基因MMP3的表達情況；

（C）OA軟骨細胞中，自噬相關基因MMP13的表達情況；

（D）OA軟骨細胞中，自噬相關基因Adamts 5的表達情況；

圖9：Mn-TCP支架的體內修復作用探索

圖中展示了四組樣品術后8周及12周的照片和微CT圖片

（A1）和（E1）：沒有加支架的空白對照組，術后8周和12周的照片；

（B1）和（F1）：加上TCP支架，術后8周和12周的照片；

（C1）和（G1）：加上5 Mn-TCP支架，術后8周和12周的照片；

（D1）和（H1）：加上10 Mn-TCP支架，術后8周和12周的照片；

（A2-D2）和（E2-H2）：分別展示了以上四組實驗術后8周和12周的二維投影圖像；

（A3-D3）和（E3-H3）：分別展示了四組實驗術后8周和12周的橫向三維構建圖；

（A4-D4）和（E4-H4）：分別展示了四組實驗術后8周和12周的矢狀面三維構圖。

圖10：Mn-TCP對于同時修復軟骨和軟骨下骨的能力

圖中展示了四個不同的實驗組（CRP，TCP，5 Mn-TCP，10 Mn-TCP）處理的樣品，在術后8周及12周后組織切片染色的圖片。

（A1–3）、（E1–3）、（I）和（L）： CTR 組；

（B1–3）、（F1–3）、（J）和（N）：TCP 組；

（C1–3）、（G1–3）、（K）和（O）：5 Mn-TCP組

（D1–3）、（H1–3）、（L）和（P）：10 Mn-TCP組

（I-L）：術后8周，茜素紅染色的圖片；

（M-P）：術后12周，茜素紅染色的圖片。

【小結】

研究成功地通過3D打印制備出了不同Mn²⁺摻雜量的磷酸三鈣生物陶瓷支架，該材料同時具有Mn²⁺和磷酸三鈣支架的雙重優點，可以同時兼顧軟骨和軟骨下骨的再生，為治療骨關節炎提供了一種可行的策略。

文獻鏈接：3D Printing of Bilineage Constructive Biomaterials for Bone and Cartilage Regeneration（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201703117）

本文由材料人編輯部王靜文編譯，周夢青審核， 點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！