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上海硅酸鹽所在3D打印復雜結構仿生骨支架方面取得新進展

發布:opticseditor    |    2020-03-25 15:49    閱讀:589
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大段骨缺損的修復是臨床上的一大挑戰,3D打印技術由于精度高、可個性化定制而廣泛用于制備骨組織工程支架。人體骨組織具有復雜精密的多級結構,骨的外層為致密的皮質骨,內含相互連通的哈弗斯管和福爾克曼管并有血管和神經穿過,骨的內部為多孔網狀的松質骨,內含骨髓間充質干細胞。傳統的骨組織工程支架不具備骨的復雜仿生結構和多細胞組成,從而限制其血管化骨再生活性,因此制備既滿足骨的結構和力學需求,又能發揮多細胞功能的支架顯得尤為重要。

近日,中國科學院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員與常江研究員帶領的研究團隊在3D打印仿哈弗斯骨結構生物陶瓷支架用于多細胞遞送和骨組織再生方面取得新進展。該研究團隊通過模擬骨的多級結構及多細胞組成,采用光固化3D打印技術制備出仿哈弗斯骨結構生物陶瓷支架,并負載骨髓間充質干細胞和內皮細胞,促進血管化骨的修復。該研究成果近日發表在Science子刊Science Advances雜志(Sci. Adv. 2020; 6 : eaaz6725)上,并申請專利一項。論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生張猛,指導教師為吳成鐵研究員。

該團隊將骨的哈弗斯管、福爾克曼管及松質骨三部分結構一體化打印,通過改變哈弗斯管數量、直徑以及福爾克曼管數量實現了對結構的精細調控,同時也實現了對力學強度及孔隙率的調控,能夠滿足不同患者的個性化定制需求。該研究還模擬骨的多細胞組成,將具有成血管作用的內皮細胞負載于哈弗斯管,將具有成骨作用的骨髓間充質干細胞負載于松質骨結構,并將兩種細胞共培養,實現了多細胞的負載與運輸,顯著促進了兩種細胞的增殖以及各自成骨、成血管基因的表達。動物體內實驗表明負載兩種共培養細胞支架的體內成骨、成血管效果顯著優于單培養細胞支架及無細胞支架,體現了這種多細胞遞送系統的血管化骨修復能力。這種基于仿哈弗斯骨結構的多細胞遞送系統還可以遞送多種骨組織常駐細胞,由于哈弗斯管內有血管和神經并行穿過,該團隊還將具有神經修復作用的雪旺細胞負載于哈弗斯管內,將骨髓間充質干細胞負載于松質骨結構,發現負載兩種共培養細胞支架的成神經基因表達顯著優于單培養細胞支架,體現了這種基于仿哈弗斯骨結構支架的多細胞遞送系統的普適性特征,可模擬體內多細胞組織工程的再生微環境。

相關研究得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金、中國科學院創新交叉團隊等基金的資助。


3D打印仿哈弗斯骨結構支架遞送成骨及成血管相關細胞用于血管化骨再生。

3D打印仿哈弗斯骨結構生物陶瓷支架形貌表征,(A-C)不同哈弗斯管直徑和數量支架的光學顯微鏡照片,(a-c)不同哈弗斯管直徑和數量支架的micro-CT圖像,(F-H)不同直徑哈弗斯管的電鏡照片,(I)松質骨結構電鏡照片,(J)支架表面燒結情況電鏡照片。

仿哈弗斯骨結構支架用于體外多細胞遞送,(A-D)共培養的骨髓間充質干細胞和內皮細胞負載于支架表面的共聚焦照片,(E-H)共培養的骨髓間充質干細胞和內皮細胞負載于支架表面的電鏡照片,(I-J)在不同哈弗斯管直徑及數量的支架上生長的單培養及共培養細胞的增殖情況,(K-L)支架負載的單培養及共培養細胞成骨、成血管基因的表達情況。

來源:上海硅酸鹽研究所

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