3D打印面向骨軟骨界面重建的雙重生物活性鋰鈣硅酸鹽生物支架

供稿人:孟子捷 賀健康

由退行性疾病引起的骨軟骨缺損難以實現(xiàn)自愈合，軟骨和軟骨下的骨組織同時再生是治療骨軟骨缺損的有效方法之一。然而，設(shè)計一種用于骨軟骨缺損的再生的具有合適的離子成分和具有刺激骨/軟骨再生能力的生物支架是具有挑戰(zhàn)性的。Si在軟骨系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用，對軟骨細胞外基質(zhì)的合成有積極影響；Li鹽可通過激活Wnt信號通路，促進小鼠軟骨下骨組織形成，提高骨量。利用Li和Si離子的協(xié)同作用作者認為L2C4S4支架可以同時再生軟骨和軟骨下骨組織。

Lei Chen等研究人員采用溶膠-凝膠法成功合成了一種純相的鋰鈣硅酸鹽 (Li2Ca4Si4O13, L2C4S4)生物陶瓷，并采用3D打印制備了L2C4S4支架。當孔徑為170 ~ 400微米時，L2C4S4支架的抗壓強度可被控制在15 - 40 MPa范圍內(nèi)。L2C4S4支架具有可控的生物降解性和良好的磷灰石礦化能力。在一定濃度范圍內(nèi)，L2C4S4的離子產(chǎn)物明顯促進了軟骨細胞的增殖和成熟，促進了rBMSCs的成骨分化。與純β-TCP支架相比，L2C4S4支架同時促進了兔骨軟骨缺損軟骨和軟骨下骨組織的再生。這些結(jié)果表明，3D打印的L2C4S4支架具有特異的離子結(jié)合，機械強度高，降解性好，具有雙重生物活性，是一種很有前途的骨軟骨界面重建生物材料。

圖一 L2C4S4支架在骨軟骨重建中的應(yīng)用示意圖。采用溶膠-凝膠法成功地合成了純相L2C4S4粉體；3D打印的L2C4S4支架能在體外促進軟骨成熟與成骨分化；L2C4S4支架在體內(nèi)也能顯著加速軟骨再生，促進軟骨下骨組織重建

作者通過XRD分析了L2C4S4支架的相組成；通過光學顯微鏡、掃描電鏡和Micro-CT觀察了支架的形貌、孔結(jié)構(gòu)和孔徑；通過模擬體液中浸泡后通過XRD、SEM、EDS等手段觀察了支架表面磷灰石的形成。此外，作者還在鹽酸緩沖液中進行了支架降解性能的測試，測量了支架質(zhì)量與離子釋放隨時間變化的性能。如圖二所示，作者使用兔骨髓干細胞(rBMSCs)進行細胞實驗，通過堿性磷酸酶比色法（ALP）對rBMSCs成骨分化的促進作用進行了檢測，使用茜素紅染色試劑盒研究了rBMSCs成骨分化的終末期并計算了鈣沉積，與β-TCP相比, L2C4S4明顯提升rBMSCs成骨分化，驗證L2C4S4離子產(chǎn)物對體外成骨和軟骨形成的促進作用。

圖2 直寫成形的水凝膠零件圖二 rBMSCs的成骨分化。β - tcp和L2C4S4提取物培養(yǎng)14天后rBMSCs的ALP活性(A) ALP活性(B) ALP染色圖像;用b-TCP和L2C4S4提取物培養(yǎng)21天，茜素紅分析rBMSCs， (C)茜素紅定量，(D)茜素紅染色圖像

作者將軟骨細胞和rBMSCs在L2C4S4支架培養(yǎng)24小時，通過SEM和骨架染色觀察細胞的形態(tài)與黏附情況。進而將支架植入骨軟骨缺損的兔子模型體內(nèi)，通過H&E染色和Micro-CT觀察，研究了支架對骨軟骨再生的體內(nèi)刺激作用。如圖三所示，Safranin-O/Fast Green染色結(jié)果顯示，與其他兩組相比，L2C4S4組在第12周時具有大量透明軟骨樣組織。

圖三 術(shù)后8周和12周軟骨和軟骨下骨的再生質(zhì)量。術(shù)后8周(A1-C3)和12周(D1-F3) Safranin-O/Fast Green染色。A1-3和D1-3: CTR組，B1-3和E1-3: b-TCP組，C1-3和D1-3: L2C4S4組。黑色、藍色和紅色分別代表支架、骨和軟骨。

該研究采用溶膠-凝膠法成功合成了純L2C4S4晶體，并采用3D打印技術(shù)制備了大孔結(jié)構(gòu)高度均勻的L2C4S4支架材料。通過改變L2C4S4支架的孔徑(170-400微米)，可以將其抗壓強度有效控制在15- 40MPa，高于傳統(tǒng)的生物陶瓷和聚合物支架。3D打印的L2C4S4支架具有明顯的磷灰石礦化能力，有利于軟骨細胞和rBMSCs的附著。此外，濃度為6.25-25 mg/mL的L2C4S4提取物在體外明顯促進了軟骨細胞的成熟，促進了rBMSCs的成骨分化，而L2C4S4支架在體內(nèi)也促進了軟骨和軟骨下骨的再生。

參考文獻：
L. Chen, C. Deng, J. Li, Q. Yao, J. Chang, L. Wang and C. Wu, 3D printing of a lithium-calcium-silicate crystal bioscaffold with dual bioactivities for osteochondral interface reconstruction, Biomaterials, (196) (2019) 138-150

供稿人:孟子捷 賀健康
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室