用于引导细胞迁移和定向骨生长的海螺状3D打印支架

供稿人：雷沁霖、高琳
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
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

严重骨缺损的再生在临床上仍然是一个巨大的挑战。开发再生支架来定向引导骨骼生长是克服这一障碍的潜在策略。而海螺是一种在海洋中广泛分布的生物，它有坚硬的螺旋外壳，可以沿着螺旋方向不断生长。海螺的生长策略可能会启发制造再生支架来定向引导骨骼生长的实现。

受海螺生理特征的启发，中国科学院上海陶瓷研究所高性能陶瓷与超细微结构国家重点实验室成功制备了一种基于β-TCP生物陶瓷材料的海螺状支架，用于通过基于数字光处理的3D打印引导定向骨生长。得益于螺旋结构，与传统的3D支架相比，海螺状支架在体外显著改善了细胞粘附、增殖和成骨分化。

图1 3D打印支架的制备和在引导骨定向生长中的应用示意图

团队使用基于数字光处理的光固化3D打印机制造海螺状支架。其中，印刷层厚度固定在50μm，固化光源的波长为405nm。第一层的暴露时间为40s，其他层为8s。印刷后，将样品从印刷平台上取出，并用酒精仔细超声清洗20s。清洁步骤重复两次以去除残留的浆料。然后，将清洁后的生坯置于405nm便携式光源下1小时进行二次固化。最后，在马弗炉中对坯体进行脱苦，并按照程序烧结。

通过3D打印的方式，设计者可以灵活准确地控制支架的形态、结构、孔隙率和力学性能等各项参数。其次，与传统的交叉支撑支架相比，海螺状支架可以提高材料的运输能力，增强接种的兔骨髓干细胞的生物学行为，包括粘附、增殖和成骨分化。特别是海螺状支架可以引导细胞沿着垂直方向迁移，这就像“细胞爬楼梯”。此外，支架很好地引导了自下而上的定向骨生长，并增强了体内骨再生。因此，这项研究表明，3D打印海螺状支架将是修复严重骨缺损甚至四肢的一种很有前途的待选方案。此外，这项研究为复杂组织再生仿生材料的设计和制造提供了一种很有前途的策略。

参考文献：
Boshi Feng, Meng Zhang, Chen Qin, Dong Zhai, Yufeng Wang et al. 3D printing of conch-like scaffolds for guiding cell migration and directional bone growth. Bioactive Materials, 22 (2023) 127-140.