浙江
在骨缺损处植入3D打印支架是个性化骨缺损修复的有效策略。作为决定骨组织工程成功与否的关键因素，支架材料应兼有适宜的骨再生微环境和优异的力学性能。大自然是人类生产生活的百科全书，当面对棘手的问题时，人类往往能受大自然的启发得到问题的最优解。天然骨细胞外基质（ ECM）具有最佳的骨再生微环境，它具有促进骨修复相关细胞的募集、迁移及调控干细胞成骨分化的能力，同时还能促进新生骨的矿化。受此启发，暨南大学化学与材料学院的罗丙红教授团队从天然骨ECM的特性出发，设计具有成骨微环境的骨组织工程支架材料以促进骨再生。相关成果发表在《ACS Nano》（中科院1区，影响因子18.027）上，暨南大学化学与材料学院罗丙红教授为文章唯一通讯作者，暨南大学博士生刘坤为论文第一作者。
图1 论文发表页面
骨ECM是一种粘弹性材料，其重要组成——液晶胶原纤维，是调控新骨矿化过程的关键要素（图2a）。考虑到聚乳酸（PLA）支架的力学性能不足，该团队首先利用静电自组装技术增强3D打印PLA支架。基于酸解甲壳素晶须和马来酸酐化甲壳素晶须的静电相互作用（图2b），研究人员证实了两种晶须在PLA支架表面的层层静电自组装过程，并且压缩测试揭示了该策略可以有效强化支架并灵活调控支架的力学性能。
图2 受天然骨ECM启发的3D打印仿生血管化骨组织工程支架的设计思路
在力学强化的基础上，载有去铁胺（DFO）的甲壳素晶须（HCHW）液晶/壳聚糖（CS）粘弹性液晶水凝胶（CG）被引入到支架中（图3）。该团队发现在京尼平的交联作用下，CG液晶水凝胶仍可以完整保持原有的胆甾型液晶织构，复现了骨ECM中胶原的液晶特性（图3a~3d）。同时，CS作为第二聚合物网络引入以调节水凝胶的粘弹性，使其具有明显的应力松弛特性（~73 s）以及与骨ECM类似的流变学特性（图3e~3h）。以上设计成功在支架中构建了类骨ECM液晶和粘弹性的成骨成血管的微环境。
图3 (a ~ d) HCHW液晶和CG的偏光图像；(e ~ g) CG水凝胶与常见天然组织的力学性能；（h）CG水凝胶的应力松弛特性。
为了验证仿生支架的成骨和成血管能力，团队开展了体外生物学性能评估和大鼠异位成骨实验。支架在体外展现出优异的细胞亲和性、成骨活性和成血管性能（图4a~4d）。在支架植入大鼠7周后，相对于普通PLA支架，仿生支架的周围组织呈现高密度的类骨质区域（图4e）。同时，仿生支架中包载的DFO可以被持续释放到损伤环境中，促进新生血管组织的生成及血管的生长。该支架为3D打印骨组织工程支架材料的设计提供了新策略，并在未来有望成为实用且有效的骨修复材料替代物。
图4 体外/内评估支架的成骨活性和成血管能力。（a）间充质干细胞在支架上的三维分布；（b）细胞在支架上的铺展和黏附行为；（c）不同支架的茜素红染色情况；（d）支架的鸡胚尿囊膜成血管实验；（e）大鼠异位成骨的肌袋模型及免疫组化染色指标分析。
图5 相关研究成果被ACS Nano编辑部大力推荐
该研究工作得到了国家面上项目、省面上项目和省科技计划项目等的大力支持。
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08699
来源：高分子科学前沿
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