3D打印面向骨软骨界面重建的双重生物活性锂钙硅酸盐生物支架

供稿人:孟子捷 贺健康

由退行性疾病引起的骨软骨缺损难以实现自愈合，软骨和软骨下的骨组织同时再生是治疗骨软骨缺损的有效方法之一。然而，设计一种用于骨软骨缺损的再生的具有合适的离子成分和具有刺激骨/软骨再生能力的生物支架是具有挑战性的。Si在软骨系统中起关键作用，对软骨细胞外基质的合成有积极影响；Li盐可通过激活Wnt信号通路，促进小鼠软骨下骨组织形成，提高骨量。利用Li和Si离子的协同作用作者认为L2C4S4支架可以同时再生软骨和软骨下骨组织。

Lei Chen等研究人员采用溶胶-凝胶法成功合成了一种纯相的锂钙硅酸盐 (Li2Ca4Si4O13, L2C4S4)生物陶瓷，并采用3D打印制备了L2C4S4支架。当孔径为170 ~ 400微米时，L2C4S4支架的抗压强度可被控制在15 - 40 MPa范围内。L2C4S4支架具有可控的生物降解性和良好的磷灰石矿化能力。在一定浓度范围内，L2C4S4的离子产物明显促进了软骨细胞的增殖和成熟，促进了rBMSCs的成骨分化。与纯β-TCP支架相比，L2C4S4支架同时促进了兔骨软骨缺损软骨和软骨下骨组织的再生。这些结果表明，3D打印的L2C4S4支架具有特异的离子结合，机械强度高，降解性好，具有双重生物活性，是一种很有前途的骨软骨界面重建生物材料。

图一 L2C4S4支架在骨软骨重建中的应用示意图。采用溶胶-凝胶法成功地合成了纯相L2C4S4粉体；3D打印的L2C4S4支架能在体外促进软骨成熟与成骨分化；L2C4S4支架在体内也能显著加速软骨再生，促进软骨下骨组织重建

作者通过XRD分析了L2C4S4支架的相组成；通过光学显微镜、扫描电镜和Micro-CT观察了支架的形貌、孔结构和孔径；通过模拟体液中浸泡后通过XRD、SEM、EDS等手段观察了支架表面磷灰石的形成。此外，作者还在盐酸缓冲液中进行了支架降解性能的测试，测量了支架质量与离子释放随时间变化的性能。如图二所示，作者使用兔骨髓干细胞(rBMSCs)进行细胞实验，通过碱性磷酸酶比色法（ALP）对rBMSCs成骨分化的促进作用进行了检测，使用茜素红染色试剂盒研究了rBMSCs成骨分化的终末期并计算了钙沉积，与β-TCP相比, L2C4S4明显提升rBMSCs成骨分化，验证L2C4S4离子产物对体外成骨和软骨形成的促进作用。

图2 直写成形的水凝胶零件图二 rBMSCs的成骨分化。β - tcp和L2C4S4提取物培养14天后rBMSCs的ALP活性(A) ALP活性(B) ALP染色图像;用b-TCP和L2C4S4提取物培养21天，茜素红分析rBMSCs， (C)茜素红定量，(D)茜素红染色图像

作者将软骨细胞和rBMSCs在L2C4S4支架培养24小时，通过SEM和骨架染色观察细胞的形态与黏附情况。进而将支架植入骨软骨缺损的兔子模型体内，通过H&E染色和Micro-CT观察，研究了支架对骨软骨再生的体内刺激作用。如图三所示，Safranin-O/Fast Green染色结果显示，与其他两组相比，L2C4S4组在第12周时具有大量透明软骨样组织。

图三 术后8周和12周软骨和软骨下骨的再生质量。术后8周(A1-C3)和12周(D1-F3) Safranin-O/Fast Green染色。A1-3和D1-3: CTR组，B1-3和E1-3: b-TCP组，C1-3和D1-3: L2C4S4组。黑色、蓝色和红色分别代表支架、骨和软骨。

该研究采用溶胶-凝胶法成功合成了纯L2C4S4晶体，并采用3D打印技术制备了大孔结构高度均匀的L2C4S4支架材料。通过改变L2C4S4支架的孔径(170-400微米)，可以将其抗压强度有效控制在15- 40MPa，高于传统的生物陶瓷和聚合物支架。3D打印的L2C4S4支架具有明显的磷灰石矿化能力，有利于软骨细胞和rBMSCs的附着。此外，浓度为6.25-25 mg/mL的L2C4S4提取物在体外明显促进了软骨细胞的成熟，促进了rBMSCs的成骨分化，而L2C4S4支架在体内也促进了软骨和软骨下骨的再生。

参考文献：
L. Chen, C. Deng, J. Li, Q. Yao, J. Chang, L. Wang and C. Wu, 3D printing of a lithium-calcium-silicate crystal bioscaffold with dual bioactivities for osteochondral interface reconstruction, Biomaterials, (196) (2019) 138-150

供稿人:孟子捷 贺健康
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室