3D打印Mg2+持续释放压电支架通过促进神经和血管生成分化以增强骨再生

供稿人：张益涵、王玲
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

天然骨是由有机和无机成分组成的复合组织，表现出压电性。白磷钙石（WH）是一种天然的含镁磷酸钙，由于其烧结处理后具有独特的压电性能和镁离子（Mg 2+）的持续释放，近年来在骨形成方面引起了人们的极大关注。

北京化工大学有机复合材料国家重点实验室蔡晴教授团队提出了第一个具有持续Mg 2+释放的仿生压电支架的例子。通过熔融挤出成形（FDM）方式制备压电WH（PWH）和聚己内酯（PCL）组成的复合支架（表示为PWH支架），如图1所示。该支架满足神经血管化骨组织再生的生理需求，即在缺损部位提供内源性电场。同时，WH支架中Mg 2+的持续释放显示出多种生物活性，与压电效应在抑制破骨细胞活化、促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）向神经、血管和成骨方向分化方面表现出较强的协同效应。

图1 骨特异性电活性含PWH的有机-无机复合支架的设计的示意图

PWH NP和PWH复合支架的制备和表征如图2所示，为了比较，该团队打印非电活性PCL、PCL/WH（为了简化，表示为WH scaff fold）和PCL/β-TCP（β-磷酸三钙，为了简化，表示为β-TCP支架）支架。压电PWH NP在再生骨组织方面显示出优于WH NP和β-TCP NP的优势，WH的支架都表现出Mg和Ca离子的持续释放长达21天。上述结果共同证明PWH支架具有上级的压电性和生物活性离子的持续释放，这有望有利于骨再生。

图2        (A)基于PWH NP的3D打印复合支架的制造过程图(B)WH NP的代表性SEM图像 (C)各种复合膜的CV曲线（D）AC阻抗曲线（±表示退火与否）(E)退火处理（650 ℃，3小时）前后WH NP的XRD图和（F）FTIR光谱图 (G)各种支架的压缩应力-应变曲线 (H)PWH和WH支架的Mg 2+和Ca 2+释放曲线 (I)3D打印PWH支架的照片 (J)代表性SEM和P、Ca和Mg元素映射图像

部分细胞实验及动物实验过程及结果如图3所示。综合体外实验的总体结果充分证明，PWH支架可以促进神经元分化，增强血管生成，抑制破骨细胞，从而增强骨再生。此外，与 WH 支架（即缺乏电活性）和 β-TCP 支架（即缺乏电活性和 Mg2+ 供应）相比，这些特征使得 PWH 支架在修复大鼠颅骨缺损方面表现得更好。源自 PWH 支架的 Mg2+ 和压电的协同效应可以显着促进神经发生和血管生成，从而增强骨生成。因此，我们预计这种骨特异性仿生支架可以为骨再生提供一种有前途的策略，这可以极大地拓宽WH/PWH在再生医学中的应用。

图3 (A)RT-PCR评价骨髓间充质干细胞神经源性和血管源性分化的实验过程示意图 (B)SD大鼠颅骨缺损模型建立以及通过促进神经发生和血管生成来增强骨再生机制 (C)CAM测试实验示意图 (D)支架及注射支架提取物刺激的血管生成可视化图像 (E)大鼠头骨的重建 3D 显微 CT 图像

参考文献：
WANG L Y, PANG Y Y, TANG Y J, et al. A biomimetic piezoelectric scaffold with sustained Mg release promotes neurogenic and angiogenic differentiation for enhanced bone regeneration [J]. Bioactive Materials, 2023, 25: 399-414.