一种新型的通过免疫调节增强骨质疏松症3D打印支架

供稿人：刘颖洁 王玲 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室


钛合金股骨柄已广泛应用于人工髋关节置换术，且取得了显着疗效。 然而，由于严重的骨吸收现象，钛合金股骨柄在骨质疏松症患者中的应用受到了限制。 目前，上海交通大学附属第六人民医院的贾伟涛团队设计了一种新型的多层级生物功能化3D打印多孔Ti6Al4V支架，通过免疫治疗来提升骨质疏松症下多孔Ti6Al4V支架的骨整合效果，如图1所示。 支架的宏观大孔结构主要起机械支撑作用，微米级孔隙促进了细胞粘附，增强了支架生物相容性，纳米结构通过搭载生物分子，起调控免疫细胞活动的作用。 体外细胞培养实验和动物体内植入实验证明了这种新型支架能与骨质疏松骨进行良好的骨整合。

图1 一种多层级生物功能化3D打印多孔Ti6Al4V支架构建示意图

支架的宏观孔结构为金刚石型单胞的三周期极小曲面（TPMS）结构，通过选择性激光融化（SLM）3D打印技术制造，如图2(a)所示。对打印后的支架进行生物功能化处理，将其浸没在不同溶液中冷冻处理一段时间，使载药体icariin@Mg-MOF-74 (ICA@MOF)被包裹在支架类细胞质基质结构上，用于控制淫羊藿苷以及Mg2+离子的释放。图2(b)所示为装载淫羊藿苷前后金属有机框架（MOF）的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图2 3D打印多孔Ti6Al4V支架。(a)不同标尺下的支架实体图。(b)MOF在装载淫羊藿苷前后的SEM图像 (c)MOF装载淫羊藿苷过程示意图

研究对生物功能化前后的支架进行了压缩弹性模量与屈服强度的测量，结果显示其力学性能变化不大，表明生物功能化过程不显著影响支架的机械行为。在支架鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）体外培养实验中，rBMSCs均粘附在四种不同改性方法下的Ti6Al4V支架多孔表面上，但使用了载药体ICA@MOF支架的生物相容性最好，且具有最佳的促进rBMSCs成骨分化的能力。为进一步分析生物功能化多孔支架在体内的作用机理，该研究进行了动物体内植入实验，在骨质疏松症大鼠股骨远端髓内植入了生物功能化多孔支架。实验结果如图3所示，支架周围和内部均形成大量新骨，Ti/SF/MOF/I组（使用载药体ICA@MOF）的新骨形成量大于其余各组。实验分析表明生物活性化的多孔Ti6Al4V支架可以通过控制释放淫羊藿苷和Mg2+，来抑制notch1信号通路，进而诱导巨噬细胞分泌抗炎细胞因子，从而显著改善骨代谢，促进多孔支架与骨质疏松骨的骨整合。

图3骨质疏松症大鼠股骨的骨整合CT评价。(a)微型CT的冠状面，矢状面，横断面和3D模型图像，3D模型图像中的红色部分表示新骨。(b-d)CT数据的定量分析。

该研究研制了一种具有可控释放淫羊藿苷和Mg2+功能的多层级生物功能化多孔Ti6Al4V骨植入物。研究结果表明，该多孔支架植入物能通过免疫途径调节骨代谢，增强植入物与宿主骨质疏松骨之间的骨整合，为老年骨质疏松症患者所使用的钛合金股骨柄优化提供了一种新的策略。
参考文献：

    王伟，熊银泽，赵任良，李向，贾伟涛。 一种具有增强骨质疏松骨整合的新型分层生物功能化 3D 打印多孔 Ti6Al4V 支架 通过骨免疫调节。 J纳米生物技术。 2022；20:68。 doi:10.1186/s12951-022-01277-0。