大段骨缺損的修復(fù)是臨床上的一大挑戰(zhàn)，3D打印技術(shù)由于精度高、可個性化定制而廣泛用于制備骨組織工程支架。人體骨組織具有復(fù)雜精密的多級結(jié)構(gòu)，骨的外層為致密的皮質(zhì)骨，內(nèi)含相互連通的哈弗斯管和福爾克曼管并有血管和神經(jīng)穿過，骨的內(nèi)部為多孔網(wǎng)狀的松質(zhì)骨，內(nèi)含骨髓間充質(zhì)干細胞。傳統(tǒng)的骨組織工程支架不具備骨的復(fù)雜仿生結(jié)構(gòu)和多細胞組成，從而限制其血管化骨再生活性，因此制備既滿足骨的結(jié)構(gòu)和力學需求，又能發(fā)揮多細胞功能的支架顯得尤為重要。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員與常江研究員帶領(lǐng)的研究團隊在3D打印仿哈弗斯骨結(jié)構(gòu)生物陶瓷支架用于多細胞遞送和骨組織再生方面取得新進展。該研究團隊通過模擬骨的多級結(jié)構(gòu)及多細胞組成，采用光固化3D打印技術(shù)制備出仿哈弗斯骨結(jié)構(gòu)生物陶瓷支架，并負載骨髓間充質(zhì)干細胞和內(nèi)皮細胞，促進血管化骨的修復(fù)。該研究成果近日發(fā)表在Science子刊Science Advances雜志(Sci. Adv. 2020; 6 : eaaz6725)上，并申請專利一項。論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生張猛，指導教師為吳成鐵研究員。

該團隊將骨的哈弗斯管、福爾克曼管及松質(zhì)骨三部分結(jié)構(gòu)一體化打印，通過改變哈弗斯管數(shù)量、直徑以及福爾克曼管數(shù)量實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)的精細調(diào)控，同時也實現(xiàn)了對力學強度及孔隙率的調(diào)控，能夠滿足不同患者的個性化定制需求。該研究還模擬骨的多細胞組成，將具有成血管作用的內(nèi)皮細胞負載于哈弗斯管，將具有成骨作用的骨髓間充質(zhì)干細胞負載于松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)，并將兩種細胞共培養(yǎng)，實現(xiàn)了多細胞的負載與運輸，顯著促進了兩種細胞的增殖以及各自成骨、成血管基因的表達。動物體內(nèi)實驗表明負載兩種共培養(yǎng)細胞支架的體內(nèi)成骨、成血管效果顯著優(yōu)于單培養(yǎng)細胞支架及無細胞支架，體現(xiàn)了這種多細胞遞送系統(tǒng)的血管化骨修復(fù)能力。這種基于仿哈弗斯骨結(jié)構(gòu)的多細胞遞送系統(tǒng)還可以遞送多種骨組織常駐細胞，由于哈弗斯管內(nèi)有血管和神經(jīng)并行穿過，該團隊還將具有神經(jīng)修復(fù)作用的雪旺細胞負載于哈弗斯管內(nèi)，將骨髓間充質(zhì)干細胞負載于松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)負載兩種共培養(yǎng)細胞支架的成神經(jīng)基因表達顯著優(yōu)于單培養(yǎng)細胞支架，體現(xiàn)了這種基于仿哈弗斯骨結(jié)構(gòu)支架的多細胞遞送系統(tǒng)的普適性特征，可模擬體內(nèi)多細胞組織工程的再生微環(huán)境。

相關(guān)研究得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金、中國科學院創(chuàng)新交叉團隊等基金的資助。

3D打印仿哈弗斯骨結(jié)構(gòu)支架遞送成骨及成血管相關(guān)細胞用于血管化骨再生。

3D打印仿哈弗斯骨結(jié)構(gòu)生物陶瓷支架形貌表征，（A-C）不同哈弗斯管直徑和數(shù)量支架的光學顯微鏡照片，（a-c）不同哈弗斯管直徑和數(shù)量支架的micro-CT圖像，（F-H）不同直徑哈弗斯管的電鏡照片，（I）松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)電鏡照片，（J）支架表面燒結(jié)情況電鏡照片。

仿哈弗斯骨結(jié)構(gòu)支架用于體外多細胞遞送，（A-D）共培養(yǎng)的骨髓間充質(zhì)干細胞和內(nèi)皮細胞負載于支架表面的共聚焦照片，（E-H）共培養(yǎng)的骨髓間充質(zhì)干細胞和內(nèi)皮細胞負載于支架表面的電鏡照片，（I-J）在不同哈弗斯管直徑及數(shù)量的支架上生長的單培養(yǎng)及共培養(yǎng)細胞的增殖情況，（K-L）支架負載的單培養(yǎng)及共培養(yǎng)細胞成骨、成血管基因的表達情況。

來源：上海硅酸鹽研究所