3D打印新型生物活性支架用于骨再生

来源： BCML速递

模拟骨组织细胞外基质对开发生物活性骨再生支架材料具有重要意义。受到骨组织组成与自然矿化产物的启发，研究者选择珍珠粉（PP）作为一种与骨组织成分相似的生物活性材料，与鱼皮甲基丙烯酸明胶（GelMA）和血管内皮生长因子（VEGF）结合，制备出一种能够促进骨再生的复合支架。同时借助3D打印技术精确控制支架的组成和结构，以满足临床需求。鱼皮GelMA与PP的复合也赋予了支架良好的生物相容性、细胞粘附性和成骨分化能力，而VEGF的控释使得支架能够促进血管生成（图1）。

首先，研究者使用显微镜和扫描电镜观察了支架的形状、层叠结构和表面孔隙率 ，并使用能量色散光谱分析了支架中的Ca、Mg、Fe元素，结果表明PP的成骨成分成功装载在支架中。从图2d、e可以看出支架的纤维具有清晰的分层结构，而没有互相融合分散。且支架的纤维之间留有空隙形成了较高的孔隙度，便于氧气和营养因子的交换及生物活性因子的释放。能量色散光谱（EDS）结果显示，PP中的微量元素Ca、Mg和Fe出现在支架中，这表明支架成功负载了PP（图2g-i）。接着，研究者将荧光异硫氰酸盐牛血清白蛋白（FITC-BSA）作为模型药物包埋于支架中，然后将支架浸泡在磷酸盐缓冲液（PBS）中，观察并记录支架的荧光。图3a中所示的支架的均匀和明亮的荧光表明FITC-BSA的成功包封，而持续降低的荧光强度表明药物的缓慢释放。将支架分别与骨髓间充质干细胞（BMSC）和成骨细胞MC3T3-E1共培养，观察支架的生物相容性。结果表明与对照组相比，支架组中的BMSCs和MC3T3-E1在培养3天后均显示出理想的细胞密度和良好的形态（图3c、e）。同时，支架与人脐静脉内皮细胞（HUVEC）共孵育6 h后，与对照组相比可观察到更多的管状结构形成，表明支架具有促血管生成作用（图3d、f）。

然后，研究者通过碱性磷酸酶（ALP）和茜素红（ARS）染色评估了支架的成骨活性，GelMA-PP组和GelMA-PP&VEGF组的具有更深的染色效果，定量结果也证实了其成骨效果更好（图4a、b、d、e）。同时，PP中的一些其他活性蛋白和糖蛋白可能也有助于成骨，为了验证这一猜想，研究者用BMSCs进行划痕实验，结果表明GelMA-PP组和GelMA-PP&VEGF组具有更强的促进干细胞迁移和募集的能力（图4c、f）。

最后，研究者通过大鼠颅骨缺损模型，将支架植入缺损区域，观察了8周后的骨再生情况。通过micro-CT分析，研究者发现与对照组和GelMA组相比，GelMA-PP和GelMA-PP&VEGF组的新生骨体积更大，其中GelMA-PP&VEGF组的体内骨修复效果最佳（图5a、c、d）。 HE染色也证实了支架处理组中新形成的骨组织更多（图5b）。通过免疫荧光和免疫组化染色发现GelMA-PP&VEGF组能够显著提高成骨标志物OPN和OCN以及血管内皮细胞标志物CD31的表达，说明该支架能够通过成骨和血管生成的协同作用，有效地促进骨再生（图6）。

综上所述，研究者通过3D打印技术，实现了可控释生物活性因子VEGF的PP、鱼皮GelMA混合支架。PP具有钙、镁和铁等成骨增强因子，鱼皮GelMA基质提供良好的细胞粘附能力，VEGF促进血管化，协同促进骨组织再生。

本研究由东南大学赵远锦教授团队完成，于2023年10月23日在线发表于Advanced Science。

论文信息：Yang L, Fan L, Lin X, Yu Y*, Zhao Y*. Pearl Powder Hybrid Bioactive Scaffolds from Microfluidic 3D Printing for Bone Regeneration. Adv Sci 2023, 23: e2304190.