臨床上，大塊骨缺損的修復是人類面臨的挑戰(zhàn)之一，3D打印技術(shù)可以便捷的制備形狀可控的多孔支架材料，廣泛應用于生物材料和骨組織工程領域。傳統(tǒng)3D打印支架具有多孔的結(jié)構(gòu)，將材料植入缺損部位后，營養(yǎng)物質(zhì)和細胞沿著孔向內(nèi)滲入支架內(nèi)部，有利于骨組織向內(nèi)長入，促進骨缺損的修復。然而，傳統(tǒng)3D打印支架在大塊骨缺損方面仍顯不足。傳統(tǒng)3D打印支架由實心的基元堆疊而成，降低了材料的孔隙率；傳統(tǒng)3D打印支架的孔隙呈階梯三維延伸狀，并沒有形成平直的孔道狀，在流體力學上有較強的流體阻力，不利于營養(yǎng)物質(zhì)和細胞滲入支架內(nèi)部，阻礙了修復過程中的成血管和成骨。
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領的研究團隊，在3D打印復雜結(jié)構(gòu)生物材料用于血管化大塊骨缺損修復方面取得新進展。該研究團隊受到自然界中蓮藕內(nèi)部平行多通道結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，采用3D打印制備出仿生蓮藕支架，并與上海交通大學附屬第九人民醫(yī)院蔣欣泉團隊合作，進一步發(fā)現(xiàn)該類支架相對于傳統(tǒng)3D打印支架，具有顯著提高大塊骨缺損的修復的能力。相關研究成果發(fā)表在Advanced Science上，并申請專利一項。
該研究團隊把傳統(tǒng)3D打印支架每個基元的內(nèi)部做成平行多通道結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有望促進新血管和骨組織的長入，有利于骨缺損的修復，并重新設計了內(nèi)部共軸鑲嵌的擠壓式3D打印針頭，通過改進的3D打印制備方法，實現(xiàn)一次性打印仿生蓮藕支架，改進的3D打印方法能夠調(diào)控仿生蓮藕支架的物理和化學性質(zhì)。采用該方法不僅可以用各種生物陶瓷（Akermanite, Al2O3, ZrO2）、金屬Fe和高分子海藻酸鈉等多種材料制備出仿生蓮藕支架，而且能制備出不同形狀、孔道數(shù)目、孔道直徑的仿生蓮藕支架。此外，通過調(diào)控3D支架的基元堆砌方式和孔道數(shù)目，來調(diào)控該仿生蓮藕支架的孔隙率和力學強度。該仿生蓮藕支架的最高孔隙率達到80%，力學強度可達40MPa以上，能滿足骨缺損修復材料的要求。
受自然界啟發(fā)制備出仿生蓮藕支架用于骨組織工程。（c-g）材料制備過程。
3D打印仿生蓮藕支架理化性質(zhì)的調(diào)控。（a）不同材料的仿生蓮藕支架，（b）不同形狀的仿生蓮藕支架和（c）不同孔道尺寸的仿生蓮藕支架。
仿生蓮藕支架孔隙率和力學強度的調(diào)控。（a）三種不同基元堆砌方式的仿生蓮藕支架，具有不同數(shù)目孔道和堆砌方式的仿生蓮藕支架的（b）孔隙率和（c）力學強度。
研究團隊進一步通過選擇生物活性良好的鎂黃長石（Akermanite）陶瓷作為基體代表材料，來探究這種仿生蓮藕材料在骨組織再生工程中的性能和應用，分別制備了具有單孔道、雙孔道、三孔道和四孔道的仿生蓮藕生物陶瓷支架。體外生物學分析結(jié)果表明，與傳統(tǒng)3D支架相比，該仿生蓮藕鎂黃長石生物陶瓷支架更有利于細胞的粘附和增殖，并隨著通道數(shù)目的增加，其效果越明顯增加。體內(nèi)動物實驗表明，該仿生蓮藕生物支架提高了骨組織再生能力和成血管化效應，有利于骨缺損的修復。與傳統(tǒng)的3D生物活性支架相比，該3D打印仿生蓮藕生物支架更有利于營養(yǎng)物質(zhì)向支架內(nèi)部的傳輸，引導細胞和組織向內(nèi)長入，從而促進前期的成血管以及后期的成骨，提高了骨缺損的修復性能。由于其多通道高孔隙率的結(jié)構(gòu)特點，該種材料還可以用于藥物大分子裝載、表面功能化修飾以及催化、能源、環(huán)境等其他領域。
仿生蓮藕支架的體內(nèi)生物學分析。（a）兔子間充質(zhì)干細胞（BMSCs）在仿生蓮藕支架上的SEM照片，（c-e）細胞培養(yǎng)在支架上第3天的共聚焦顯微鏡照片，仿生蓮藕支架的（f）細胞粘附和（g）增殖結(jié)果。
仿生蓮藕支架的體外生物學分析。4周的大鼠肌袋植入實驗中，（a）大量細胞長入蓮藕狀孔道內(nèi)部，（b,c）血管微灌注實驗結(jié)果表明，血管成功長入到孔道內(nèi)；12周的兔子顱骨缺損實驗中的（d,e）micro-CT和（f）組織切片VG染色結(jié)果，（g）骨缺損部位新骨的統(tǒng)計學分析結(jié)果都表明仿生蓮藕支架具有更好的骨修復能力。
研究工作得到了中組部青年千人計劃、國家重點研發(fā)計劃和國家自然基金、中科院前沿科學研究計劃等的資助。
論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201700401/abstract
