骨組織是人體不可缺少的組成部分，在保護(hù)內(nèi)臟、參與人體新陳代謝方面起著關(guān)鍵作用。然而，層次化結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、力學(xué)性能的要求以及骨駐留細(xì)胞的多樣性是構(gòu)建仿生骨組織工程支架的主要挑戰(zhàn)，因此開發(fā)一種能夠模擬天然骨組織的組織工程支架就顯得尤為重要。

近期，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的吳成鐵教授團(tuán)隊(duì)在Science Advances雜志上發(fā)表了題目為”3D printing of Haversian bone–mimickingscaffolds for multicellular delivery in bone regeneration”的文章。研究人員通過基于DLP的三維打印技術(shù)，成功地制備了具有完整層次化哈弗斯骨結(jié)構(gòu)的仿生骨支架，并且通過改變哈弗仿骨結(jié)構(gòu)的參數(shù)，達(dá)到更好地控制支架的抗壓強(qiáng)度和孔隙率的目的。并在體外誘導(dǎo)成骨、血管生成和神經(jīng)源性分化，促進(jìn)體內(nèi)血管生長和新骨形成上驗(yàn)證了其多細(xì)胞輸送能力。

首先，研究人員利用DLP打印技術(shù)將生物陶瓷材料制作成具有哈弗斯管、Volkmann管和松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)的哈弗斯仿骨支架（圖1），并成功制造了5種不同的哈弗斯管仿骨支架（圖2），其中哈弗斯管數(shù)量和大小存在差異（紅色箭頭），Volkmann管是在水平方向上連通哈弗斯管的環(huán)形通道(藍(lán)色箭頭)，松質(zhì)骨部分被設(shè)計(jì)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(圖2I)。

圖1 DLP打印制造用于輸送成骨細(xì)胞和血管生成細(xì)胞的哈弗斯仿骨支架

圖2 DLP打印出的哈弗斯仿骨生物陶瓷支架

其次，為了研究形態(tài)學(xué)、力學(xué)性能與孔隙率之間的關(guān)系，研究人員對不同管道結(jié)構(gòu)的哈弗斯仿骨支架的力學(xué)關(guān)系進(jìn)行了測量。

圖3 哈弗斯仿骨生物陶瓷支架的相關(guān)表征

進(jìn)一步的，為了研究成骨和血管生成過程中的細(xì)胞相互作用，研究人員將上述哈弗斯仿骨支架用于HBMSC-HUVEC共培養(yǎng)細(xì)胞的輸送（圖4），并且通過rBMSC-RSC共培養(yǎng)體系驗(yàn)證了所構(gòu)建的骨細(xì)胞共培養(yǎng)體系的普適性（圖5）。最后，通過建立用于修復(fù)兔股骨缺損的RBMSC-RAEC共培養(yǎng)體系，進(jìn)一步驗(yàn)證了支架共培養(yǎng)體系在體內(nèi)的成骨和血管生成作用（圖6）。

圖4 HBMSC-HUVEC共培養(yǎng)體系的哈弗斯仿骨支架在細(xì)胞增殖和血管生成分化方面優(yōu)于單一細(xì)胞培養(yǎng)體系

圖5 基于哈弗斯仿骨支架的rBMSC-RSC共培養(yǎng)體系在細(xì)胞增殖和神經(jīng)分化方面優(yōu)于單一培養(yǎng)體系

圖6 基于哈弗斯仿骨支架的RBMSC-RAEC共培養(yǎng)系統(tǒng)促進(jìn)了兔股骨缺損新骨和新血管的形成

綜上所述，該研究通過DLP打印技術(shù)制備了具有哈弗斯管、Volkmann管和松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)的哈弗斯骨仿骨支架。通過調(diào)節(jié)其力學(xué)性能和孔隙率使其能有效地輸送成骨細(xì)胞、血管生成細(xì)胞和神經(jīng)源性細(xì)胞，并在體外和體內(nèi)都表現(xiàn)出良好的成骨和血管生成能力，從而為組織再生的結(jié)構(gòu)化和功能化生物材料的設(shè)計(jì)提出了一種仿生策略。

論文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz6725