新型3D打印支架PLA-CaP可促进血管形成，为骨愈合带来新希望

导读：骨骼是一种血管丰富的组织，科学界长期以来一直在讨论血管生成与骨愈合之间的联系，有几项研究描述了由于缺乏或减少血管生成而导致的骨愈合受损。传统的移植方法经常导致并发症，因为植入物的血管供应不足导致整合不良和组织坏死。

2024年12月26日，南极熊获悉，来自加泰罗尼亚生物工程研究所 (IBEC) 的研究人员开发了一种新的 3D 打印支架，旨在通过增强血管形成来改善骨骼愈合。

研究团队由再生疗法生物材料小组高级研究员 Oscar Castaño 领导，相关研究以题为“Combining three-dimensionality and CaP glass-PLA composites: Towardsan efficient vascularization in bone tissue healing”的论文发表在《生物材料进展》杂志上。他们应用 3D 生物打印技术开发了支持血管生成和血管成熟的聚乳酸和磷酸钙基玻璃支架。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.bioadv.2024.213985

研究利用 3D 打印技术制作出可精确控制几何形状、孔隙率和表面特征的支架。这些结构旨在模仿天然骨骼的组成，既有有机成分，也有无机成分，同时保持营养物质运输和细胞渗透所需的孔隙率。

△PLAG5*20%支架中的茜素红染色突出了矿化部位，提供了 3D 大孔隙度及其增强成骨能力的证据。图片来源：加泰罗尼亚生物工程研究所 (IBEC)

骨骼由非矿化有机部分（主要是胶原蛋白）和矿化无机部分（主要是羟基磷灰石）组成。在这种结构中，需要 3D 孔隙率来确保营养和氧气的运输，以及允许血管化、细胞浸润和废物清除。研究人员的方法是基于使用磷酸钙 (CaP) 基玻璃支架来改善聚乳酸 (PLA) 的特性，以获得一种符合骨组织化学、机械和生物需求的材料。

新型 PLA-CaP 支架可实现充分的血管化，这不仅可以治愈组织，还可以实现有效再生，从而减少或消除骨疤痕。为了制造这些支架，研究人员采用了 3D 打印技术，以精确控制支架的几何形状、孔隙率和表面特性。该研究的第一作者Celia Ximenes-Carballo 解释道：“这种创新方法可以定制模仿天然骨骼结构的支架，这对于增强愈合过程中的细胞浸润和营养交换至关重要。”

△图：支架设计和形状保真度。（a）计划使用 200 μm 尖端打印的支架设计。（b）不同支架的可打印性指数 (Pr)。右侧为打印支架的图像（顶部）和 Pr 的解释：Pr 值 =1 定义高形状保真度，而 Pr 值大于和小于 1 定义封闭或不规则的孔隙。

△图：支架微孔率取决于 3D 打印时溶剂的置换方式。 (a) 使用不同的溶剂置换方法通过 FE-SEM 对支架表面进行成像（比例尺为 20 μm）。 (b) 支架横截面（比例尺为 20 μm）。

体外试验表明，3D 打印支架支持人类间充质干细胞增殖，并刺激血管内皮生长因子的分泌——这是促进血管形成的关键因素。此外，支架将钙离子释放维持在生理水平，这是支持血管形成的另一个重要因素。

另一方面，使用皮下小鼠模型对支架进行体内测试也显示出了良好的结果。在植入后仅一周内，支架就表现出良好的整合和明显的血管浸润。PLA-CaP 支架特别有效，在四周后显示出血管成熟度增加，没有血管退化的迹象。对血管的分析显示，血管壁最初很薄，但随着时间的推移变得更厚更稳定。这一进展表明，支架不仅为血管生长提供了初始支持，还为骨再生所必需的持久血管化创造了有利的环境。

“我们相信，我们的 3D 打印支架可以彻底改变我们处理骨再生的方式。通过增强血管化，我们可以显著改善愈合效果，并降低与传统移植方法相关的并发症的可能性。”

——OscarCastaño，IBEC 高级研究员。

这些先进支架的开发凸显了 3D 打印技术与钙释放颗粒等生物活性材料相结合的协同效应。PLA-CaP 支架的结构不仅有利于改善血管形成，而且还支持成骨，为更有效的骨愈合策略铺平了道路，并有可能降低移植失败率。