王翀/唐毓金、刘佳：低温3D打印双递送支架改善骨再生与增强血管化

来源：EngineeringForLife  

首先，研究人员通过低温3D打印含有成骨肽(OP)的复合乳液，制备了具有平衡的骨导电性/骨诱导性的定制骨组织工程支架。然后将含有I型胶原蛋白水凝胶的血管生成肽(AP)包覆在支架表面，进一步提高支架的血管生成能力（图1)。又采用数码图像和扫描电镜（SEM）观测了支架的表面形态，对支架的力学性能也能进行了评价（图2）。通过实验可知支架的抗压强度和弹性模量与人类松质骨相当。由此说明支架的机械性能适合于修复/再生缺损骨组织。

图1 3D打印AP和OP支架的制备示意图

图2 3D打印支架的微观形貌及其力学性能评价

随后，研究人员对双肽传递支架的体外释放和降解行为进行了研究（图3），发现可能导致OP从微孔向测试液的扩散延迟的原因是，由于I型胶原水凝胶涂层在OP/TCP/PLGA支架表面的屏障作用，还发现支架具有足够的稳定性来承担长期骨再生的支撑作用。

图3 双肽传递支架的体外释放和降解行为

接着，研究人员对支架的血管生成能力与成骨分化能力进行了检测（图4、图5）。通过支架体外生物实验，说明了AP的快速释放是加速大鼠内皮细胞（EC）迁移的关键因素且能够促进EC管的形成，由此促进血管的生成；以大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)为模型细胞，研究支架的体外成骨能力。研究表明支架的生物相容性良好，促进rBMSCs的成骨分化性能良好，AP和OP的双重释放对rBMSC的矿化性能良好且具有协同作用。

图4 支架的血管生成能力

图5 支架的成骨分化能力

研究人员还进行了大鼠颅骨缺损的体内再生实验（图6），以验证AP和OP双重输送的支架是否对骨组织再生有任何有利的影响。实验相比之下，TVB支架在颅骨缺损的骨再生方面有很大的提高，缺损边界与支架之间的间隙被新生的骨组织填充；TVB支架诱导的BV/TV比和BMD值最高，这可能与AP和OP释放诱导的血管生成和成骨的协同作用有关。

图6 大鼠颅骨缺损的体内再生实验

最后，研究人员通过Masson三色染色对大鼠颅骨缺损再生组织进行组织学分析(图7)。研究表明TVB支架诱导不仅改善了新骨的形成，而且还促进了直径更大的血管的再生，说明AP和OP双传递的定制骨组织工程支架是实现增强骨组织再生和所需血管化的优越平台。

图7 不同支架植入后3个月大鼠颅骨缺损再生组织的Masson三色染色组织学评价

综上所述，上述研究通过低温3D打印含OP的复合墨水，再包覆含I型胶原的AP水凝胶，成功生产出具有双肽递送能力的定制骨组织工程支架。双递送支架的机械结构类似于人类松质骨，可以实现由AP快速释放和OP持续释放组成的连续肽释放。双肽传递支架不仅能促进体外血管生成，还能促进骨髓间充质干细胞体外成骨分化。体内实验结果表明，双肽传递支架既能促进大鼠颅骨缺损新骨形成，又能促进再生组织血管形成。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2020.07.007