Bio. Mat.：3D打印近红外响应性SMPU/镁支架紧密填充骨缺损促进骨再生

来源：中国科学院大学

骨缺损患者的致残率和畸形率很高。移植骨与缺损周边的骨接触不良和成骨活性不足，导致松动风险增加，修复效果不理想。因此，中国科学院深圳先进技术研究院赖毓霄教授团队研制出一种由形状记忆聚氨酯（SMPU）作为热响应基质，镁（Mg）作为光热和生物活性成分，通过低温快速成型（LT-RP）3D打印技术制备的近红外响应型支架。该支架具有均匀的多孔结构，较强的力学性能和稳定的光热效应。此外，该支架的促骨修复效果已通过一系列的体外和体内研究得到证实，预期可成为一种临床有效的骨再生策略。

此项3D打印支架的工作原理被描述为“3R”过程：植入后，支架在近红外光的刺激下恢复形变，实现与缺损周边骨的紧密接触；然后缓慢释放Mg离子，Mg离子能促进成骨；最终，骨缺损处将被修复（图1）。

首先，研究人员通过一步法合成基于聚己内酯的SMPU材料，然后通过低温快速成型（LT-RP）3D打印技术，制备了含有不同质量分数Mg颗粒的SMPU/Mg复合支架。以SMPU/4 wt% Mg复合支架为代表，发现支架在水平和垂直方向上均呈现出相互连通的多孔结构（图2a）。SEM图像显示，支架中的大孔直径为600-700μm，微孔直径为5-40μm（图2b1）。由于分布均匀的Mg颗粒的存在，复合材料支架对应的XRD图谱中出现了2θ=36.7°的典型峰，而SMPU的XRD图谱中没有出现该峰（图2c）。如图2d所示，与原始SMPU（Tm=56.0 ℃）相比，在复合材料中加入Mg颗粒后，样品的熔融温度（Tm）有所增加，且与Mg含量呈正相关。图2e, f结果表明，加入Mg颗粒后，复合支架的力学性能随着Mg含量的增加而增强。将支架浸泡在pH=7.4的磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液中12周，样品重量无明显变化，表明支架具有良好的稳定性。Mg2+的累积释放曲线（图2g）结果表明，3D打印复合材料支架可实现对Mg2+的长期释放。

研究人员进一步探究干态和湿态支架的近红外光热效应，结果表明干态下支架温度随Mg含量和辐照时间的增加而升高，且在前60 s有较大的渐变速率（图3a1）。湿态支架的光热效应与干态支架的光热效应趋势相同（图3a2）。研究人员通过近红外激光打开（关闭）循环实验，证明了SMPU/4 wt%Mg支架具有良好的光热稳定性（图3a3）。此外，研究人员还探究了远端近红外光触发对支架形状记忆的影响（图3b和c）。为了量化支架的形状记忆特性，记录并测量了支架高度的变化（图3f）。如图3g所示，由于没有NIR响应特性，SMPU支架没有恢复应力，而SMPU/4 wt% Mg支架的恢复应力为27.5 kPa。此外，由于形状恢复效应，支架在近红外光的作用下可以举起100 g的重物，这超过了支架自身重量的1700倍（图3h）。这些结果证明，3D打印SMPU/Mg支架具有良好的NIR响应性能和支撑能力，这与Mg粒子光热效应和SMPU的热响应性有关。

研究人员观察3D打印支架对MC3T3-E1细胞活力和增殖的影响。图4a1为MC3T3-E1细胞通过Live/Dead染色法与不同样品孵育3天的荧光图像，各组细胞均表现出较好的存活率和增殖。ALP染色结果（图4b1）显示骨髓间充质干细胞在成骨分化过程中持续分泌ALP。与对照组和SMPU组相比，含Mg复合组，尤其是SMPU/4 wt% Mg组的ALP活性显著升高（图4b3）。此外，研究人员还通过ARS染色法对骨髓间充质干细胞与不同样品培养过程中钙结节的形成情况进行了评价。如图4b2所示，矿化结节在18天后成功沉积。用qPCR检测培养3 d、7 d和14 d的骨髓间充质干细胞Runx2和OST基因的表达，结果也证实了SMPU/4% Mg支架具有促进干细胞成骨分化的作用。

研究人员进一步评价了3D打印支架的体内骨再生潜能。SMPU/4 wt% Mg支架在植入过程中的形状记忆行为如图5a所示。制造小鼠颅骨缺损，然后用压缩的SMPU/4 wt% Mg支架填充。较小尺寸的支架更便于植入缺陷部位。随后，用808 nm，2 W cm-2的近红外光照射颅骨缺损处60分钟后，支架恢复到原有的多孔结构。通过推出试验研究支架与缺损周边骨的紧密接触性能和修复后缺损的生物力学性能，结果发现由于复合支架的紧密接触和Mg2+的释放促进了骨修复（图5b2和5b3）。为了快速分析3D打印支架植入后的紧密接触能力，采用有限元分析方法。将植入骨部位简化为骨缺损-支架模型，如图5c1和5c2所示，将支架视为压缩形状。由于没有光热效应，原始SMPU支架的Rr为0.05%，而SMPU/4 wt% Mg支架的Rr为95.4%。

Micro-CT三维重建图像如图6a1所示。与空白组（无支架）和SMPU支架组相比，SMPU/4% Mg支架填充的颅骨缺损在各时间点有更多的新生骨，尤其是在12周时。定量分析如图6a2和6a3所示，与空白组相比，SMPU支架组在各时间点的数据均有改善，这可能意味着具有分级宏微孔结构的支架能够促进骨再生。SMPU/4% Mg支架组在植入后4、8、12周时BMD和BV/TV均明显高于空白组和SMPU组。此外，定量分析小梁数目（Tb.N）、小梁分离（Tb.Sp）、小梁厚度（Tb.Th）（图6b1-b3）证实了SMPU/4% Mg支架组较空白组和SMPU组有改善。H&E染色结果显示，与空白组和原始SMPU组相比，SMPU/4 wt% Mg组在各时间点均可发现更多的新骨组织（图6c1）。此外，新骨也可以在支架的孔隙中形成，特别是在含Mg的支架中，这可以Mg2+的促骨作用来解释。缺损部位新骨组面积的定量百分比也进一步证实了该结果（图6c2）。

综上所述，本研究开发了SMPU/Mg复合材料具有促骨、近红外响应和紧密接触能力的3D打印支架，以解决传统形状记忆植入材料孔隙率低、响应温度低、力学和生物活性不理想的局限性。这种SMPU/Mg复合支架结合了SMPU、Mg成分和LT-RP 3D打印技术的优势，最终实现了良好的骨再生。研究人员设想这种3D打印的骨支架有很大的临床转化前景。

该研究由中国科学院大学赖毓霄教授团队完成，并于2021年12月26日在线发表于Bioactive Materials。

论文信息：Yuanchi Zhang, Cairong Li, Wei Zhang, Junjie Deng, Yangyi Nie, Xiangfu Du, Ling Qin, Yuxiao Lai, 3D-printed NIR-responsive shape memory polyurethane/magnesium scaffolds with tight-contact for robust bone regeneration. Bioactive Materials.

Doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.12.032.