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连续制造仿生骨-骨膜集成支架以促进骨再生

BCML速递 · 公众号 · · 2024-09-25 20:24

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仿生天然骨 - 骨膜支架是修复骨缺损的理想方式，但实现具有集成且稳定界面的梯度支架仍然存在挑战。来自北京航空航天大学的牛旭锋教授和中国科学院大学的阮长顺教授团队合作开发了一种仿生骨 - 骨膜集成胶原基支架，采用连续制造策略，首先 3D 打印原位矿化胶原蛋白支架（ IMCS ），然后立即覆盖电纺丝仿生骨膜（ bioinspired periosteum ， BP ），从而制备出具有稳定双层结构的集成支架。该集成支架（ BP-IMCS ）展示出优异的骨 - 骨膜结构仿生性，能够防止纤维组织的侵入，并显著增强缺损部位的骨修复效果（图 1 ）。因此，这一研究为实现稳定的骨 - 骨膜结构提供了新的连续制造策略。

为了验证 BP-IMCS 的稳定性，研究团队设计了三种对照组支架：静电纺丝 BP 覆盖干燥的 IMCS （ BP-D-IMCS ）、连续 3D 打印 IMCS 在 BP 上（ IMCS-BP ），以及仅在 IMCS 上物理覆盖 BP （ BP+IMCS ）（图 2A ）。通过对四种双层支架施加振荡摩擦力，评估界面的结合强度。结果表明， BP-IMCS 在剪切应变作用下表现出最强的界面结合力，其次是 BP-D-IMCS ，而 BP+IMCS 最差（图 2B ， C ）。扭转实验结果一致，显示 BP-IMCS 在相同剪切应变下能够承受更高的扭转力（图 2D ），且启动和完全分离所需的剪切应力均为四种支架中最大（图 2E ）。这表明 BP-IMCS 在摩擦环境下具有良好的结构稳定性。

BP-IMCS 的底层由孔隙较大的 IMCS 构成，静电纺丝纳米纤维与 3D 打印长丝在界面处紧密结合，展现出优异的结构稳定性（图 3A ）。研究团队利用真皮成纤维细胞（ DFs ）验证了其防止 BP 侵袭的功能，并通过骨髓间充质干细胞（ BMSCs ）验证了 IMCS 促进成骨分化的效果。结果显示，经过 7 天共培养， DFs 数量在 IMCS 下侧显著增加，而 BP 的下侧未见 DFs ，这表明 BP 有效阻止 DFs 向下侵入， IMCS 则通过孔隙结构促进 DFs 从顶部向底部迁移（图 3B-D ）。

为了实现 IMCS 的 3D 打印，研究人员首先对胶原基生物墨水的可打印性进行评估（图 4A ）。结果显示 Ca 和 P 元素在 IMCS 中均匀分布，无颗粒聚集现象。相比之下， n-HA 颗粒胶原支架（ HACS ）在某些区域表现出明显的颗粒聚集。为了测试 IMCS 的打印性能，采用五角星、花卉和圣诞树三种模型进行测试（图 4D ），结果表明所有细丝均表现出连续和平坦的特性（图 4E ），以及良好的力学特性（图 4G-J ）。

活 / 死染色结果显示， IMCS 上的 BMSCs 几乎全部为活细胞，表明 IMCS 具有良好的细胞相容性（图 5A ）。从图 5B 可见，在共培养初期， IMCS 上的 BMSCs 表现出最高的细胞活力和增殖率，而 HACS 上的细胞活力最低。 ALP 活性测试和染色结果均表明， IMCS 在促进成骨蛋白活性方面表现最佳（图 5C ）。在共培养 14 天后，所有支架上的 ALP 染色区域呈现不连续的线状分布，其中 IMCS 的染色面积最大， HACS 的染色面积最小（图 5D ）。经过 21 天共培养，所有支架的染色面积均有所增加，但 IMCS 的改善最为显著，并出现多个矿物基质沉淀聚集区。

最后研究人员验证了 BP-IMCS 在动物体内的促进新骨生成并防止纤维组织侵入的功能。将支架植入兔子颅骨缺损部位后，结果显示早期形成的新骨以松质骨为主，随后逐渐转变为皮质骨。 BP-IMCS 组的骨体积 / 组织体积（ BV/TV ）显著增加（图 6B ）。 1 个月时，各组小梁骨厚度（ Tb.Th ）差异无统计学意义，但 BP-IMCS 组维持最高的 Tb.Th 。 2 个月时， Tb.Th 与骨再生效果成正相关（图 6C ）。 BP-IMCS 组的小梁骨分离（ Tb.Sp ）在植入后 2 个月时明显高于 1 个月，表明新形成的骨为松质骨（图 6D ）。而小梁骨数（ Tb.N ）在 2 个月时减少， BP-IMCS 组的下降幅度最大（图 6E ）、各向异性程度最低（图 6F ）。术后 2 个月， BP-IMCS 组的缺损面积减小明显，显示优于其他支架的骨再生效果（图 6G ）。

通过组织染色评估新骨形成和防止纤维侵入的结果显示，植入 1 个月后，空白组和 IMCS 组均观察到纤维组织，而 BP-IMCS 组和 BP-HACS 组未见纤维组织。植入 2 个月后，空白组仍有大量纤维组织填充， IMCS 内部的纤维组织则已消失。空白组中新生骨与纤维组织紧密相连，表明当缺损部位被纤维组织占据时，新生骨缺乏生长空间，难以实现有效的骨再生。这些结果表明， BP 通过阻止网状纤维侵入并为新骨生成保留足够空间，从而促进骨再生。

综上所述，该团队为了实现更快、更有效的骨再生，开发出了 BP-IMCS 的 3 D 打印连续制造策略。通过上层 BP 阻止网状纤维侵入，并通过底层 IMCS 促进成骨分化。这种基于仿生的连续制造多组织的策略不仅为组织工程领域提供了新的方向，而且为临床治疗提供了潜在帮助

该研究由北京航空航天大学牛旭锋教授研究团队联合中国科学院大学阮长顺教授团队完成，并于 2024 年 7 月发表于 Advanced Functional Materials 。

论文信息： Zhengwei Li, Shun Li, Chongjian Gao, Juan Liu, Huawei Qu, Jirong Yang, William Weijia Lu, Changshun Ruan*, Xufeng Niu*, Guanglin Wang*. Continuous Manufacturing of Bioinspired Bone-Periosteum Integrated Scaffold to Promote Bone Regeneration. Adv. Funct. Mater. 2024, 2403235 .

供稿：刘怿斯

审校：梁婷

编辑：陈强龙