3D打印骨支架实现梯度密度颌骨功能性重建

来源： 欣博盛生物

近期，浙江大学医学院附属口腔医院谢志坚教授团队与浙江大学化学系唐睿康教授团队、机械工程学院贺永教授团队合作，在期刊Advanced Functional Materials（IF=19）上发表了题为“A Hierarchical 3D Graft Printed with Nanoink for Functional Craniofacial Bone Restoration”的文章。通过深入剖析颌骨组织与长骨组织在结构上的异同，明确颌骨在生理过程中的特殊的解剖基础，并根据现有研究制备了一种新型功能化纳米墨水，并通过光固化3D打印技术制造了具有天然颌骨微结构的仿生骨支架，为未来研发具有生理功能的骨移植体提供了新的思路。

文献中引用产品
该项研究中使用了欣博盛生物（NeoBioscience Technology Co, Ltd）的QuantiCyto® Human BMP-2 ELISA kit与QuantiCyto® Rat VEGF ELISA kit，用于评估不同GelMA-CPO组BMP-2的释放行为及检测骨髓间充质干细胞培养上清中VEGF浓度。

研究详情
临床的颅面骨缺陷通常采用骨移植的方式进行治疗，为避免自体和异体移植的诸多缺点，造骨异体移植（Bio-Oss）逐渐流行起来。为了设计出更多合适的仿生骨，近年来，生物3D打印技术的兴起为个性化修复骨缺损提供了有利的条件。

然而，3D打印技术相关研究主要是针对长骨进行设计的，相比之下，具备更复杂的咀嚼功能的颌骨研究甚少。颌骨组织工程支架的设计不仅要考虑高效的骨诱导性能，还需恢复天然颌骨微结构以适应生理性咬合负荷。现有的骨组织工程支架大多强调骨量的再生，而忽略了功能相关的结构重建。

颌骨拥有典型的皮质骨和松质骨结构，分别具有一定的生理学功能；因此，研究团队将骨形成蛋白（BMP-2）与超小磷酸钙低聚物（CPO）加入3D打印所用墨水中，通过静电作用和配位键的结合实现有机无机复合纳米墨水的构建，机械性能与降解速度均有优化，利用高精度投影式光固化3D打印技术构建仿生骨支架。经验证，这种支架的性能和精度均优于传统的无定形磷酸钙墨水打印产物。

由骨髓间充质干细胞培养体系的ELISA结果可见，细胞培养上清中存在高浓度的血管内皮生长因子（VEGF），因此，研究人员尝试将其上清与人脐静脉内皮细胞共培养，结果显示该上清液不仅能诱导内皮细胞的血管形成，且该诱导能力具有浓度依赖性。RNA-Seq结果进一步揭示该复合材料能上调多个成骨功能相关基因表达，GO分析显示多个成骨相关生物学过程激活，KEGG结果显示ECM-receptor interaction、PI3K-AKT信号通路和focal adhesion通路富集，并以此探索了有机-无机复合材料诱导成骨的机制。

通过家兔颌骨缺损模型证实，该3D打印的仿生骨支架能高效诱导新骨的生理性重建，并且降解速度与再生速度匹配。与口腔临床最为主流的骨修复产品Bio-Oss骨粉相比，由Bio-Oss骨粉诱导的新骨组织虽然密度较高，但缺乏典型的皮质-松质样密度梯度结构，不利于生理功能的进行。与之对应的，分层的、具有良好生物相容性的仿生骨支架能够较为理想地解决具有复杂咀嚼功能的颌骨缺损再生修复问题，为其行使正常咀嚼功能、确保远期治疗效果提供了结构基础。该功能为导向的组织工程策略为功能化再生医学提供了新思路，目的是在临床应用中产生更好的效果。


文献引用
Shi Y, Shi J, Sun Y, et al. A Hierarchical 3D Graft Printed with Nanoink for Functional Craniofacial Bone Restoration[J]. Advanced Functional Materials, 2023: 2301099.