浙江大学：3D打印分层三维移植体用于颅面骨的功能修复

来源：高分子科学前沿

在临床上，颅面骨缺陷通常是采用骨移植的方式进行治疗。为了避免自体移植和异体移植的缺点，如供体部位的发病率和疾病传播的风险，近年来，造骨异体移植（Bio-Oss）变得越来越流行。大多数人工骨移植材料主要采用的是羟基磷灰石材料，这也导致很多异种移植物表现出延迟降解，阻碍了新骨的生长，延长了骨愈合。更严重的问题是新骨的质量与原生骨不同，利用这种方式诱导产生的新骨没有典型的壳状皮质和网状松质骨，而是充满颗粒的骨块。对于颅面骨，尤其是颌骨，具有复杂的三维结构支持牙齿的健康生理功能，在利用这一治疗技术再生新骨应特别考虑到这一点。

松质骨是多孔的，内部有板状或棒状结构。这些物理结构确保了内皮细胞的形成和生物矿化。为了设计出更多的仿生骨构造，人们采用了各种方法，特别是3D打印技术来模仿自然结构，包括模仿松质骨的三周期最小表面（TPMS）骨支架或分层多孔结构支架、模仿长骨组织的具有皮质骨和松质骨结构的支架，以及具有综合层次结构的Haversian骨模仿构造。但是，现有的生物仿生支架相关研究主要是针对长骨设计的，对于颅面骨重建的研究很少。此外，原生牙槽骨结构与其咀嚼功能有密切关系，但现有的研究更多地集中在新骨块的增生上，旨在通过自然组织修复重建健康的机械咀嚼功能的研究还未见报道。

为填补这一领域的空白，浙江大学谢志坚团队、唐睿康团队、贺永团队合作联合提出了一种基于明胶甲基丙烯酰（GelMA）分层的三维移植物，用于重建颅面骨的自然结构和健康的生物功能重建。他们开发了一种有机无机纳米墨水，其中含有超小磷酸钙低聚物和骨形态发生蛋白（BMP-2），用于新骨生长在时间和空间上的引导。利用高分辨率投影的3D打印技术，赋予支架以仿生的层次结构，包括一个包含Haversian系统的皮质层和一个相互连接的多孔海绵层，并且在这两层中加载了不同浓度的生物活性因子，以便以梯度密度再生新骨。该移植体在体外表现出良好的成骨和血管生成潜力，在体内加速了血管再生并重建了具有原始形态的新骨。受益于这样的天然结构，负载力被均匀分散，减少了插入的牙齿种植体周围的应力集中。该工作以题为“A Hierarchical 3D Graft Printed with Nanoink for Functional Craniofacial Bone Restoration”的文章发表于Advanced Functional Materials上。

分层三维骨移植体的设计和制造

受原生颅面骨微观结构的启发，使用SolidWorks设计了一个模仿皮层的、贯穿整个Haversian系统的层，以及一个类似海绵的多孔层。在皮质模型中，通道的直径被设计为500微米，这有利于内皮细胞的生长和血管的形成在松质层中，TPMS结构被广泛证明在骨组织工程中具有良好的生物学性能和可控的机械性能，在该工作中设计为平均孔径为400微米，通道和孔隙的壁厚为200 μm，这是有效输送营养和氧气扩散的有限距离。两层都是在导入基于投影的3D打印机后分别制作的，然后通过在界面上方可交联GelMA前体来组装一个仿生支架。由此，通过基于投影的3D打印技术，成功地制造了一种受天然骨微结构启发的分层移植体。

用有打印的墨水主要采用可交联GelMA前体作为基底。用于基于投影的3D打印的墨水在打印过程中应该足够均匀和稳定。因此，在该工作中采用平均直径为1.4±0.38纳米的超小磷酸钙低聚物（CPO），所形成的墨水稳定性较使用传统的无定形磷酸钙（ACP）更高。为了评估在暴露于405纳米的光线下液体和固体的转变，测试不同含量的CPO（0%、5%、10%和20%）的流变性质。溶胶/凝胶过渡点（G′=G″）随着CPO含量的增加而增加，这意味着交联效率可能受到影响，但仍在可接受的范围内。通过优化，确定使用20%含量的COP作为打印墨水。为了实现骨诱导生长，一些试剂如BMP-2也被添加进墨水中。

分层三维骨移植体的实际应用

颅面骨的梯度密度具有生理意义，高度矿化的皮质骨可以抵抗外力，支持牙齿/种植体的功能，低密度的松质骨可以分配咀嚼力。初步实验显示，新骨的密度与CPO的含量有很大的关系。因此，在这项工作中，不同浓度的BMP-2和CPO被应用于仿生移植中，目的是诱导具有自然梯度密度的快速新骨形成。作为对照，相同浓度的纳米墨水被用来制造没有微结构的块状支也被设计和制造。在下颌骨矩形缺陷的兔子植入移植体，以测试分层生物仿生移植物的内在血管生成和成骨潜力，并将结果与未处理的对照组进行比较。首先进行显微CT扫描以观察新骨形成。术后6周，用仿生支架处理的缺损处表现出更厚的皮质骨和更强的骨小梁，在第12周继续形成结构良好的新骨，表面形成连续的皮质骨，内部有粗大的编织骨。这种结构与原生下颌骨的结构相当相似。与对照组相比，含有生物活性因子的块状移植物促进了骨的形成，其密度和体积明显增加；但是，块状结构阻碍了细胞的浸润，从而减缓了降解率，影响了新骨组织的生长。因此，在6周和12周时，大量的块状移植物仍然存在，周围有异常的新骨质再生。

小结：该文报道了了一种均匀的有机-无机纳米墨水，将BMP-2和超小的CPO纳入GelMA前体中。通过基于投影的3D打印方法，用所得到的纳米墨水构建了一个分层的支架，其中有包含Haversian系统的皮质层和具有TPMS结构特征的松质层。这种支架具有良好的生物相容性，在体外具有很强的成骨和血管生成能力，兔颅骨缺损修复模型证实，伴随着快速的血管再生，仿生移植体诱导出结构良好的全厚新骨。更重要的是，有限元分析结果表明，这种分层移植所诱导的新形成的具有自然组织的骨，有利于发挥生物功能，使集中在植入物周围的应力降低，负荷分担区域扩大。这种设计理念为开发以功能为导向的三维移植体提供了新的见解，目的是在临床应用中产生更好的功能效果。