四川大学张兴栋院士团队：仿生基质重构3D打印梯度多孔支架再生微环境加速骨再生

来源：高分子科技

寻找理想的骨再生性植入物仍然是临床上一个持续的挑战。天然骨组织的微观结构中，坚实的无机成分(羟基磷灰石)主要负责支撑、保护和承重，而柔软的有机成分（胶原纤维，多糖）在干细胞的增殖和迁移中起着重要作用。因此，有效地模拟天然骨软硬结合的杂化的结构与功能，有助于调控干细胞命运来改善骨再生进程。3D打印技术可以用于组织工程支架结构的精确控制，特别是创建有序孔隙和用户自定义结构，被广泛应用于组织工程领域。然而，目前以PCL，PLA等为主的挤出式3D打印支架难以提供组织重塑过程中长期稳定的营养供给，同时其表面缺乏活性配体，这会导致无效的细胞粘附和下游细胞事件，难以模拟骨组织再生过程所需的生理微环境。


针对以上问题，四川大学生物医学工程学院/国家生物医学材料工程技术研究中心孙勇研究员/樊渝江教授在前期的工作基础上（Nat. Commun., 2022; Adv. Funct. Mater., 2023），利用多巴胺介导的化学整合，将仿生胞外基质凝胶修饰在聚多巴胺涂层的3D打印PCL支架中，构建了软-硬结合的活性骨修复体（BM-g-DPCL，图1）。该策略改善了3D打印支架植入后的再生微环境，对于成骨基质的重塑起到重要作用。其中，梯度多孔结构设计有利于潜在的细胞迁移和营养传质；聚多巴胺涂覆的“硬”性PCL支架促进钙离子螯和及随后的类骨质沉积，并维持植入体的力学环境；多酚基团化学锚定的“软”性凝胶基质改善再生微环境，增强了干细胞的粘附、增殖和成骨分化。活性骨修复体（BM-g-DPCL）加速内源性干细胞(ESCs)募集，并启动了快速的血管形成（图2）。在兔颅骨缺损模型(Φ = 10 mm)中，活性支架促进新生组织与植入体界面融合，诱导新生骨基质在支架内部沉积（图3）。蛋白质组学确认细胞因子粘附、生物矿化沉积、快速血管化及促进胞外基质形成是加速骨缺损愈合的主要因素（图4）。这种仿生的软硬组分高度化学键和的策略提供了无细胞/无因子的组织工程支架再生的新策略。

图1 活性骨修复体BM-g-DPCL的构建

图2 仿生基质加速rBMSCs体外迁移和体内内源性干细胞（ESCs）募集

图3 兔临界颅骨缺损的内源性骨再生

图4 差异的蛋白表达揭示成骨分化机制

相关研究成果以“Covalently grafted biomimetic matrix reconstructs the regenerative microenvironment of the porous gradient polycaprolactone scaffold to accelerate bone remodeling”为题于2023年2月发表在《Small》。

原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202206960