中国科学院3D打印生物陶瓷用于骨、软骨修复研究获系列进展

2017年07月03日
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中国科学院
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近日，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员吴成铁与常江带领的研究团队在3D打印生物陶瓷用于骨、软骨修复研究中取得系列进展。通过3D打印方法制备有序大孔结构的锰-磷酸三钙（Mn-TCP）生物陶瓷支架，相关研究结果被《先进功能材料》（Advanced Functional Materials，adfm.201703117）接收，并申请专利一项。研究团队与上海交通大学附属第九人民医院教授蒋欣泉团队合作，制备出了由空心管基元堆叠而成的3D打印生物陶瓷支架，相关研究成果发表在《生物材料》（Biomaterials，2017; 135: 85-95）上。同时，该研究小组还通过3D打印技术成功制备了硅酸三钙骨水泥支架(ACS Appl Mater Interfaces. 2017;9(7):5757-5767) 及兼具抗菌与成骨活性的生物陶瓷支架 (Biofabrication. 2017;9(2):025037)，在骨组织工程领域展示了良好的应用前景。

骨关节炎是一种退行性关节疾病，其临床表现为关节的红、肿、热、痛、功能障碍及关节畸形，严重者导致关节残疾、影响患者生活质量。关节炎疾病进程中，软骨首先受到损伤，而软骨损伤通常累及软骨下骨，进而导致骨-软骨缺损。由于软骨和软骨下骨的生物学特性不同，导致骨-软骨一体化修复极具挑战。研究团队提出构建兼具软骨-软骨下骨一体化修复的3D打印生物陶瓷支架的策略，通过3D打印方法制备有序大孔结构的锰-磷酸三钙（Mn-TCP）生物陶瓷支架。Mn的引入大幅度提高支架的致密度和抗压强度。Mn-TCP生物陶瓷不仅可以通过激活HIF信号通路促进兔子软骨细胞（Chondrocyte）和骨髓间充质干细胞（rBMSC）的增殖，支持软骨细胞成熟和促进骨髓间充质干细胞向成骨分化，而且可以通过诱导炎症模型的软骨细胞产生自噬保护软骨细胞。同时，体内修复实验表明，Mn-TCP支架显著促进软骨下骨和软骨组织的生成，在骨-软骨一体化修复领域具有广阔的应用前景。相关论文（Advanced Functional Materials，adfm.201703117）第一作者为在读博士生邓翠君，指导导师为吴成铁。

研究团队通过与上海交通大学附属第九人民医院蒋欣泉团队合作，在3D打印复杂仿生结构生物陶瓷用于血管化大块骨缺损修复方面取得新进展。在临床上，大块骨缺损的修复一直是一个挑战，由于3D打印技术可以便捷地制备形状可控的多孔支架材料，而被广泛应用于生物材料和骨组织工程领域。这种传统的3D打印支架具有多孔的结构，将材料植入缺损部位后，营养物质和细胞会沿着孔向内渗入支架内部，进而有利于骨组织向内长入，最终促进骨缺损的修复。然而，传统的3D打印支架在大块骨缺损方面仍显不足。第一，由于传统的3D打印支架都是由实心的基元堆叠而成，这大大降低了材料的孔隙率；其次，传统3D打印支架的孔隙呈阶梯三维延伸状，并没有形成平直的通道状，因此在流体力学上有较强的流体阻力，不利于营养物质和细胞渗入支架内部，从而阻碍了修复过程中的成血管和成骨。该研究组制备出由空心管基元堆叠而成的3D打印生物陶瓷支架。这种空心管结构的3D陶瓷支架比传统的3D打印支架有更高的孔隙率。不仅能够促进血管向内长入，同时还会促进干细胞和生长因子的传递更有利于大块骨缺损的修复（Biomaterials，2017; 135: 85-95）。

相关研究工作得到了科技部“863”计划、国家重点研发计划和国家自然基金的资助。

Mn-TCP生物陶瓷支架形貌表征图，（A-C）TCP，（D-F）2.5 Mn-TCP，（G-I）5 Mn-TCP，（J-L）10 Mn-TCP。随着Mn含量增加，支架的颜色逐渐由浅粉色变为深粉色，支架表面形貌也由TCP的多孔结构变为致密的液化形貌。

Mn-TCP生物陶瓷支架体内修复效果，A1-D4材料植入8周，（A1-4）空白对照组，（B1-4）TCP组，（C1-4）5 Mn-TCP组，（D1-4）10 Mn-TCP组；E1-H4材料植入12周，（E1-4）空白对照组，（F1-4）TCP组，（G1-4）5 Mn-TCP组，（H1-4）10 Mn-TCP组。Mn-TCP生物陶瓷支架组较空白对照组和TCP组显著促进软骨-软骨下骨修复。