上硅所：采用3D打印制备出热狗仿生生物材料

来源：上海硅酸盐研究所

在大自然中存在大量具有复杂多级结构、优异功能的物质。模拟生物体的结构与功能对于组织修复来说具有重要意义。传统的制备技术很难实现生物材料的仿生多级制备，3D打印作为一种先进的技术则可以为仿生生物材料的研究提供一种新的方法。大块骨缺损的修复一直是现代医学临床上的一个挑战，植入多孔生物支架是目前常用的修复大块骨缺损的方法。由于骨组织具有多级结构，其发挥了营养传输以及存储的作用。然而，传统的三维打印生物支架都是由实心的基元一层一层堆积而成，支架不具有多级结构，孔隙率相对较低，且孔隙不能形成连续孔道结构，从而限制了支架内部的细胞担载以及成骨。如何赋予3D打印支架多级结构对于直写式三维打印技术来说尤为重要。

近期，中国科学院上海硅酸盐研究所吴成铁研究员与常江研究员带领的研究团队在3D打印仿生生物材料研究方面取得新进展。受到热狗面包香肠结构的启发，该小组将3D打印技术与双定向冰模板技术进行结合。制备出了仿热狗结构的3D打印支架，这种支架由空心管三维支架作为主体，内含具有连通层状结构的陶瓷棒，实现了三维支架的多级结构，极大的增加支架的比表面积从而提高支架内部细胞粘附。

3D打印仿热狗结构支架制备以及形貌

热狗结构内的火腿肠能够提供营养，而支架内部构件热狗结构的生物陶瓷棒，有利于营养因子的担载，从而提高细胞的分化与成骨效率。由此，3D打印支架实现了对热狗从结构到功能的模拟，体现了热狗仿生的理念。这种多级结构支架具有优异的药物、蛋白装载与释放性能，同时具有促进细胞粘附以及极大的促进成骨的效果。相关研究工作被 Advanced Science（IF：15.8）(Advanced Science，2019; DOI: 10.1002/advs.201901146)接收（该论文第一作者为上海硅酸盐所在读博士生李天，指导导师为吴成铁研究员）。

3D打印仿生热狗支架的体内生物学分析。（a, g）空白组（b, h）空心管支架 （c, i）仿热狗支架（d, j）载药仿热狗支架（f）不仅仿热狗支架宏观大管中出现了大量的新骨，同时支架的微观层状结构也诱导产生了大量的新骨，显示了仿生热狗支架具有优异的骨修复能力。

除此之外，近期该团队还采用3D打印制备出仿葡萄籽功能的生物活性支架。黑色素瘤是近年来发病率不断上升的最严重的皮肤癌之一。天然葡萄籽提取物含有丰富的黄酮类化合物和低聚原花青素(OPC)，受葡萄籽提取物的启发，该团队制备出以OPC作为光热剂的水凝胶支架，作为黑色素瘤治疗和皮肤创面愈合的生物活性支架材料。含OPC的水凝胶支架在近红外激光照射下具有可控的光热、流变和力学性。OPC水凝胶支架的光热性能以及流变特性对近红外激光功率密度、近红外激光照射时间和OPC含量有一定的响应。

此外，可以通过改变近红外激光辐照时间来调节水凝胶的力学性能。在近红外激光照射下，含OPC水凝胶支架迅速升温，有效地杀死黑色素瘤细胞，抑制体内肿瘤生长。此外，含有OPC水凝胶支架促进人脐静脉内皮细胞(HUVECs)和人真皮成纤维细胞(HDFs)的粘附、增殖和迁移，并在慢性伤口中明显促进血管生成和皮肤再生。具有良好的生物相容性和促进伤口愈合的作用，是一种用于黑色素瘤治疗和伤口愈合的智能生物材料。其相关工作发表在 ACS Nano（IF：13.9）杂志上（ACS Nano 2019, 13,  4：4302-4311,该论文第一作者为上海硅酸盐所马红石博士，指导导师为吴成铁研究员）。

受葡萄籽提取物的启发，3D打印制备出含有原花青素的水凝胶，具有智能可控的光热性能、流变性能、力学性能，这种含有OPC的智能水凝胶支架可作为黑色素瘤治疗的天然光热剂和创面愈合的生物活性材料。

该研究得到了科技部重点研发计划、基金委中德国际合作基金以及中科院交叉团队等项目支持。