3D打印水凝胶/PCL复合支架：通过核壳纤维至微管道的结构转变促进骨重建

供稿人：刘颖洁 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

大段骨缺损是严重的骨科难治性疾病。骨组织工程通过在骨缺损区域植入多孔结构支架来引导和促进骨生成，能对大段骨缺损进行有效治疗。聚己内酯（PCL）和水凝胶都是骨组织工程支架的常用材料。PCL机械强度高，但降解速率慢，生物活性低；水凝胶降解速率快，且能搭载细胞及生物活性因子，但力学性能差，难以承受缺损区域的生理载荷。

为了兼顾支架的力学与生物性能，以实现更好的骨重建效果，深圳大学一研究团队构建了3D打印水凝胶/PCL核壳纤维支架。

图1 3D打印水凝胶/PCL核壳纤维支架示意图

如图1所示，打印纤维由水凝胶内核和PCL外壳构成。水凝胶由海藻酸钠与凝胶复合而成，并搭载了基质细胞衍生因子（SDF-1）；PCL中复合了CS生物陶瓷纳米片（SrCuSi4O10）。在植入初期，支架能为大段骨缺损的修复提供机械支撑。随着植入时间增长，水凝胶逐渐降解并释放SDF-1因子，SDF-1的释放能促进间充质细胞在缺损部位聚集。水凝胶完全降解后，支架的核壳纤维结构将转变为PCL中空微管道结构，微管道的形成能引导骨生长与血管化。同时，PCL外壳中的CS纳米片能不断释放出生物活性离子（Si, Sr, Cu），进一步促进骨缺损的修复。

3D打印制造的水凝胶/PCL核壳纤维支架如图2所示。首先通过生物3D打印制造拥有直线正交结构的水凝胶/SDF-1支架，之后将其静置于PCL/CS溶液中以构建PCL/CS外壳，静置时间为10分钟。

图2 3D打印水凝胶/PCL复合支架的影像(A)与SEM图像(B)

对3D打印水凝胶/PCL复合支架进行力学性能测试，其压缩强度与压缩模量分别为1.12 MPa与2.27 MPa，是纯水凝胶支架的压缩强度（0.51 MPa）与模量（0.83 MPa）的3倍左右。支架中水凝胶部分完全降解后，转变为中空微管道结构的支架的压缩强度和模量均发生大幅下降，分别为0.25 MPa和0.38 MPa。进一步对支架进行生物相容性测试，发现小鼠间充质干细胞和人脐静脉内皮细胞都能正常黏附在支架表面。体外培养七天后，两种细胞均布满了支架，表明支架生物相容性优异。

为了探究CS与SDF-1对骨生成和血管生成的影响，进行了体外与体内的对比实验。体外细胞实验结果表明CS纳米片中生物活性离子的释放显著促进了间充质细胞的迁徙与聚集，而SDF-1对细胞行为的影响并不显著。随着水凝胶降解形成的PCL中空微管道能为细胞的移动进行引导。体内动物实验结果如图3所示，在植入12周后，水凝胶/SDF-1+PCL/CS复合支架骨重建效果最好，其骨骼矿物质密度、骨体积分数、骨小梁数均明显大于其他组别，表明在生物体内SDF-1和CS均对骨生成有促进作用。对植入支架进行了骨生成和血管生成的生物标志物检测，结果证明CS纳米片能显著促进骨生成和血管生成。

图3 小鼠颅骨植入实验12周后的新骨生成情况

综上，本文提出了一种新型的3D打印水凝胶/PCL核壳纤维支架，在增强支架负载能力的同时显著促进了骨缺损区域的新骨生成与血管化。

参考文献：
Dong C, Wei H, Zhang X, et al. 3D Printed Hydrogel/Wesselsite-PCL Composite Scaffold with Structural Change from Core/Shell Fibers to Microchannels for Enhanced Bone Regeneration[J]. Composites Part B: Engineering, 2022, 246, 110264.