基于微流控3D打印的仿生矿化有机-无机杂化支架用于骨修复

骨外伤、感染、肿瘤等多种原因导致的骨缺损是临床上的一大难题。骨移植是治疗骨缺损的有效方法。然而，继发性创伤、感染、潜在的疾病传播和免疫排斥等缺点限制了其广泛应用。因此，开发具有良好骨修复性能的生物活性支架是目前研究的重点。近年来，各种有机和无机材料已被广泛应用于骨组织工程。其中，聚合物支架因其可调节的降解性和力学性能，以有良好的可加工性而获得诸多关注和研究。但同时，合成聚合物往往具有有限的生物活性，这通常需要对支架进行多步处理以提高成骨活性。因此，开发具有良好的细胞和成骨活性的骨修复支架仍是目前研究热点。不久前，受骨基质有机和无机成分以及天然生物矿化机制的启发，复旦大学生物医学研究院商珈然研究员团队 和南京大学医学院附属鼓楼医院钱晓云主任团队 提出了一种用于骨修复的混合仿生矿化支架。研究者通 过微流体 3D 打印开发了一种 MgSiO ₃ @Fe ₃ O ₄ 纳米颗粒复合聚己内酯（ PCL ）杂化矿化支架，可以有效提高生物活性。此外，在支架表面制备了一层仿生矿化层，赋予其独特的微结构特征，增强细胞粘附和成骨活性，从而提高骨修复性能（图 1 ）。这项研究表明有机 - 无机生物矿化杂化支架可作为一种潜在的骨移植替代物用于临床骨修复。

首先，研究者采用微流控 3D 打印技术制备了 PCL 支架。结果显示，这种支架呈现出优异的 3D 结构，支架的纤维呈现规则的圆柱形状（图 2a ）。同时支架具有垂直错落的网络结构，纤维表面均匀且光滑（图 2b 、 c ）。随后， PCL 支架通过模拟体液（ SBF ）进行了仿生矿化，支架表面开始变得粗糙，并表现出纳米级的沉积（图 2d–f ）。元素分析结果进一步表明，矿化后的支架含有 Ca 、 P 和 Mg 元素（图 2g–i ） 。

由于疏水的 PCL 缺乏有效的细胞粘附基团，这限制了其在组织工程中的应用。为此，研究者测试了不同类型支架的亲水性和细胞粘附性能，包括 PCL 支架（ PCL ）、掺 MgSiO ₃ @Fe ₃ O ₄ 纳米颗粒的 PCL 支架（ PCL&NP ）、矿化 PCL 支架（ PCL@MZ ）和掺 MgSiO ₃ @Fe ₃ O ₄ 纳米颗粒的矿化 PCL 支架（ PCL&NP@MZ ）。接触角测试结果显示，掺入 MgSiO ₃ @Fe ₃ O ₄ 纳米颗粒对 PCL 支架的润湿性没有明显影响，而通过 SBF 进行的仿生矿化处理显著提高了 PCL@MZ 和 PCL&NP@MZ 组支架的亲水性（图 3a,b ）。随后第 7 天时 BMSC 紧密附着在 PCL@MZ 支架的表面，并呈现良好的细胞形态（图 3c ），粘附在 PCL@MZ 支架上的细胞在第 1 天至第 7 天期间保持了良好的活性（图 3d ）。以上结果表明了通过矿化处理能够改善 PCL 支架的亲水性和细胞粘附性能 。

为了验证 PCL&NP@MZ 支架的生物活性，研究者测试了其对 BMSC 活性和成骨的影响。结果显示，掺入 MgSiO ₃ @Fe ₃ O ₄ 纳米颗粒（ PCL&NP ）和矿化支架（ PCL@MZ 和 PCL&NP@MZ ）与对照组相比，略微促进了 BMSC 的增殖（图 4a,d ）。这可能归因于 MgSiO ₃ @Fe ₃ O ₄ 中的微量元素和支架提供的仿生矿化环境。接下来，研究者测试了不同支架的成骨诱导能力。 ALP 和 AR 染色结果显示， PCL&NP 和 PCL@MZ 具有一定的成骨诱导活性，而 PCL&NP@MZ 组显示出最高的 ALP 活性和钙化沉积。这些结果表明，仿生矿化的 PCL&NP@MZ 支架具有最佳的成骨诱导活性（图 4e,f ），进一步证实了 PCL&NP@MZ 支架的成骨能力，为后续的体内实验奠定了基础。

随后，研究者建立大鼠颅骨缺损模型，植入不同的支架进行 8 周治疗后评估骨修复效果。 Micro-CT 结果显示，纳米颗粒载药支架和矿化支架组相比于对照组和 PCL 组，具有更好的成骨能力，显示出更多的新骨组织，其中 PCL&NP@MZ 组的成骨效果最佳（图 5a ）。 HE （图 5b ）染色结果表明，随着支架材料的逐渐降解，骨缺损逐渐被新生骨组织填充。骨体积分数（ BV/TV ，图 5c ）和骨密度（ BMD ，图 5d ）的定量评估结果显示， PCL&NP@MZ 组的 BV/TV 值和 BMD 值优于其他组，显示出最佳的骨修复能力。

最后，为了进一步评估支架的骨修复性能，研究者通过免疫荧光检测 OPN 和 OCN 的表达（图 6a ），验证了 PCL&NP@Z 组表现出最好的成骨效果（图 6c,d ）。这些结果表明，纳米颗粒（ NP ）和矿化（ MZ ）在促进成骨方面具有协同作用（图 6c,d ）。此外， PCL&NP 、 PCL@MZ 和 PCL&NP@MZ 组的血管生成标志物 CD31 表达水平高于其他组（图 6b ， e ），表明 PCL&NP@MZ 在促进血管生成方面具有优越的能力。以上结果验证了 PCL&NP@MZ 支架在成骨和血管生成方面的优越性能。

综上所述，受有机和无机骨组织成分以及自然生物矿化机制启发，研究者通过微流体 3D 打印技术开发了一种复合 PCL 仿生矿化支架，向 PCL 支架添加无机 MgSiO ₃ @Fe ₃ O ₄ 纳米颗粒改善了其生物活性。此外，该支架可以很容易通过 SBF 进行生物矿化，形成接近骨组织成分的磷酸钙层，改善细胞粘附性能并增强其成骨诱导能力。这种有机 - 无机复合仿生矿化支架具有良好的生物相容性和成骨诱导活性，可以通过促进血管生成和诱导成骨有效增强骨修复效果，具有极大的临床应用潜力。

该研究是由复旦大学生物医学研究院商珈然研究员团队和南京大学医学院附属鼓楼医院耳鼻咽喉头颈外科钱晓云主任团队合作完成，并于 2024 年 10 月 22 日在线发表于 Advanced Functional Materials 。

文献出处： L. Yang, W. Li, X. Ding, Y. Zhao, X. Qian, L. Shang, Biomimetic mineralized or gan ic–inorganic hybrid scaffolds from microfluidic 3D printing for bone repair. Adv Funct Mater 2024: 2410927 .

供稿：江浩

审校：梁婷

编辑：刘大川