3D打印水凝膠/PCL復(fù)合支架：通過核殼纖維至微管道的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變促進骨重建
時間：2023-05-25 09:58 來源：西安交通大學(xué)機械制造 作者：admin 閱讀：次
大段骨缺損是嚴重的骨科難治性疾病。骨組織工程通過在骨缺損區(qū)域植入多孔結(jié)構(gòu)支架來引導(dǎo)和促進骨生成，能對大段骨缺損進行有效治療。聚己內(nèi)酯（PCL）和水凝膠都是骨組織工程支架的常用材料。PCL機械強度高，但降解速率慢，生物活性低；水凝膠降解速率快，且能搭載細胞及生物活性因子，但力學(xué)性能差，難以承受缺損區(qū)域的生理載荷。
為了兼顧支架的力學(xué)與生物性能，以實現(xiàn)更好的骨重建效果，深圳大學(xué)一研究團隊構(gòu)建了3D打印水凝膠/PCL核殼纖維支架。
如圖1所示，打印纖維由水凝膠內(nèi)核和PCL外殼構(gòu)成。水凝膠由海藻酸鈉與凝膠復(fù)合而成，并搭載了基質(zhì)細胞衍生因子（SDF-1）；PCL中復(fù)合了CS生物陶瓷納米片（SrCuSi4O10）。在植入初期，支架能為大段骨缺損的修復(fù)提供機械支撐。隨著植入時間增長，水凝膠逐漸降解并釋放SDF-1因子，SDF-1的釋放能促進間充質(zhì)細胞在缺損部位聚集。水凝膠完全降解后，支架的核殼纖維結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)變?yōu)镻CL中空微管道結(jié)構(gòu)，微管道的形成能引導(dǎo)骨生長與血管化。同時，PCL外殼中的CS納米片能不斷釋放出生物活性離子（Si, Sr, Cu），進一步促進骨缺損的修復(fù)。
3D打印制造的水凝膠/PCL核殼纖維支架如圖2所示。首先通過生物3D打印制造擁有直線正交結(jié)構(gòu)的水凝膠/SDF-1支架，之后將其靜置于PCL/CS溶液中以構(gòu)建PCL/CS外殼，靜置時間為10分鐘。
對3D打印水凝膠/PCL復(fù)合支架進行力學(xué)性能測試，其壓縮強度與壓縮模量分別為1.12 MPa與2.27 MPa，是純水凝膠支架的壓縮強度（0.51 MPa）與模量（0.83 MPa）的3倍左右。支架中水凝膠部分完全降解后，轉(zhuǎn)變?yōu)橹锌瘴⒐艿澜Y(jié)構(gòu)的支架的壓縮強度和模量均發(fā)生大幅下降，分別為0.25 MPa和0.38 MPa。進一步對支架進行生物相容性測試，發(fā)現(xiàn)小鼠間充質(zhì)干細胞和人臍靜脈內(nèi)皮細胞都能正常黏附在支架表面。體外培養(yǎng)七天后，兩種細胞均布滿了支架，表明支架生物相容性優(yōu)異。
為了探究CS與SDF-1對骨生成和血管生成的影響，進行了體外與體內(nèi)的對比實驗。體外細胞實驗結(jié)果表明CS納米片中生物活性離子的釋放顯著促進了間充質(zhì)細胞的遷徙與聚集，而SDF-1對細胞行為的影響并不顯著。隨著水凝膠降解形成的PCL中空微管道能為細胞的移動進行引導(dǎo)。體內(nèi)動物實驗結(jié)果如圖3所示，在植入12周后，水凝膠/SDF-1+PCL/CS復(fù)合支架骨重建效果最好，其骨骼礦物質(zhì)密度、骨體積分數(shù)、骨小梁數(shù)均明顯大于其他組別，表明在生物體內(nèi)SDF-1和CS均對骨生成有促進作用。對植入支架進行了骨生成和血管生成的生物標志物檢測，結(jié)果證明CS納米片能顯著促進骨生成和血管生成。
綜上，本文提出了一種新型的3D打印水凝膠/PCL核殼纖維支架，在增強支架負載能力的同時顯著促進了骨缺損區(qū)域的新骨生成與血管化。
參考文獻：
Dong C, Wei H, Zhang X, et al. 3D Printed Hydrogel/Wesselsite-PCL Composite Scaffold with Structural Change from Core/Shell Fibers to Microchannels for Enhanced Bone Regeneration[J]. Composites Part B: Engineering, 2022, 246, 110264.
為了兼顧支架的力學(xué)與生物性能，以實現(xiàn)更好的骨重建效果，深圳大學(xué)一研究團隊構(gòu)建了3D打印水凝膠/PCL核殼纖維支架。
圖1 3D打印水凝膠/PCL核殼纖維支架示意圖
如圖1所示，打印纖維由水凝膠內(nèi)核和PCL外殼構(gòu)成。水凝膠由海藻酸鈉與凝膠復(fù)合而成，并搭載了基質(zhì)細胞衍生因子（SDF-1）；PCL中復(fù)合了CS生物陶瓷納米片（SrCuSi4O10）。在植入初期，支架能為大段骨缺損的修復(fù)提供機械支撐。隨著植入時間增長，水凝膠逐漸降解并釋放SDF-1因子，SDF-1的釋放能促進間充質(zhì)細胞在缺損部位聚集。水凝膠完全降解后，支架的核殼纖維結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)變?yōu)镻CL中空微管道結(jié)構(gòu)，微管道的形成能引導(dǎo)骨生長與血管化。同時，PCL外殼中的CS納米片能不斷釋放出生物活性離子（Si, Sr, Cu），進一步促進骨缺損的修復(fù)。
3D打印制造的水凝膠/PCL核殼纖維支架如圖2所示。首先通過生物3D打印制造擁有直線正交結(jié)構(gòu)的水凝膠/SDF-1支架，之后將其靜置于PCL/CS溶液中以構(gòu)建PCL/CS外殼，靜置時間為10分鐘。
圖2 3D打印水凝膠/PCL復(fù)合支架的影像(A)與SEM圖像(B)
對3D打印水凝膠/PCL復(fù)合支架進行力學(xué)性能測試，其壓縮強度與壓縮模量分別為1.12 MPa與2.27 MPa，是純水凝膠支架的壓縮強度（0.51 MPa）與模量（0.83 MPa）的3倍左右。支架中水凝膠部分完全降解后，轉(zhuǎn)變?yōu)橹锌瘴⒐艿澜Y(jié)構(gòu)的支架的壓縮強度和模量均發(fā)生大幅下降，分別為0.25 MPa和0.38 MPa。進一步對支架進行生物相容性測試，發(fā)現(xiàn)小鼠間充質(zhì)干細胞和人臍靜脈內(nèi)皮細胞都能正常黏附在支架表面。體外培養(yǎng)七天后，兩種細胞均布滿了支架，表明支架生物相容性優(yōu)異。
為了探究CS與SDF-1對骨生成和血管生成的影響，進行了體外與體內(nèi)的對比實驗。體外細胞實驗結(jié)果表明CS納米片中生物活性離子的釋放顯著促進了間充質(zhì)細胞的遷徙與聚集，而SDF-1對細胞行為的影響并不顯著。隨著水凝膠降解形成的PCL中空微管道能為細胞的移動進行引導(dǎo)。體內(nèi)動物實驗結(jié)果如圖3所示，在植入12周后，水凝膠/SDF-1+PCL/CS復(fù)合支架骨重建效果最好，其骨骼礦物質(zhì)密度、骨體積分數(shù)、骨小梁數(shù)均明顯大于其他組別，表明在生物體內(nèi)SDF-1和CS均對骨生成有促進作用。對植入支架進行了骨生成和血管生成的生物標志物檢測，結(jié)果證明CS納米片能顯著促進骨生成和血管生成。
圖3 小鼠顱骨植入實驗12周后的新骨生成情況
綜上，本文提出了一種新型的3D打印水凝膠/PCL核殼纖維支架，在增強支架負載能力的同時顯著促進了骨缺損區(qū)域的新骨生成與血管化。
參考文獻：
Dong C, Wei H, Zhang X, et al. 3D Printed Hydrogel/Wesselsite-PCL Composite Scaffold with Structural Change from Core/Shell Fibers to Microchannels for Enhanced Bone Regeneration[J]. Composites Part B: Engineering, 2022, 246, 110264.
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