新型3D打印支架PLA-CaP可促進(jìn)血管形成，為骨愈合帶來(lái)新希望

導(dǎo)讀：骨骼是一種血管豐富的組織，科學(xué)界長(zhǎng)期以來(lái)一直在討論血管生成與骨愈合之間的聯(lián)系，有幾項(xiàng)研究描述了由于缺乏或減少血管生成而導(dǎo)致的骨愈合受損。傳統(tǒng)的移植方法經(jīng)常導(dǎo)致并發(fā)癥，因?yàn)橹踩胛锏难芄?yīng)不足導(dǎo)致整合不良和組織壞死。

2024年12月26日，南極熊獲悉，來(lái)自加泰羅尼亞生物工程研究所 (IBEC) 的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的 3D 打印支架，旨在通過(guò)增強(qiáng)血管形成來(lái)改善骨骼愈合。

研究團(tuán)隊(duì)由再生療法生物材料小組高級(jí)研究員 Oscar Castaño 領(lǐng)導(dǎo)，相關(guān)研究以題為“Combining three-dimensionality and CaP glass-PLA composites: Towardsan efficient vascularization in bone tissue healing”的論文發(fā)表在《生物材料進(jìn)展》雜志上。他們應(yīng)用 3D 生物打印技術(shù)開(kāi)發(fā)了支持血管生成和血管成熟的聚乳酸和磷酸鈣基玻璃支架。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.bioadv.2024.213985

研究利用 3D 打印技術(shù)制作出可精確控制幾何形狀、孔隙率和表面特征的支架。這些結(jié)構(gòu)旨在模仿天然骨骼的組成，既有有機(jī)成分，也有無(wú)機(jī)成分，同時(shí)保持營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸和細(xì)胞滲透所需的孔隙率。

△PLAG5*20%支架中的茜素紅染色突出了礦化部位，提供了 3D 大孔隙度及其增強(qiáng)成骨能力的證據(jù)。圖片來(lái)源：加泰羅尼亞生物工程研究所 (IBEC)

骨骼由非礦化有機(jī)部分（主要是膠原蛋白）和礦化無(wú)機(jī)部分（主要是羥基磷灰石）組成。在這種結(jié)構(gòu)中，需要 3D 孔隙率來(lái)確保營(yíng)養(yǎng)和氧氣的運(yùn)輸，以及允許血管化、細(xì)胞浸潤(rùn)和廢物清除。研究人員的方法是基于使用磷酸鈣 (CaP) 基玻璃支架來(lái)改善聚乳酸 (PLA) 的特性，以獲得一種符合骨組織化學(xué)、機(jī)械和生物需求的材料。

新型 PLA-CaP 支架可實(shí)現(xiàn)充分的血管化，這不僅可以治愈組織，還可以實(shí)現(xiàn)有效再生，從而減少或消除骨疤痕。為了制造這些支架，研究人員采用了 3D 打印技術(shù)，以精確控制支架的幾何形狀、孔隙率和表面特性。該研究的第一作者Celia Ximenes-Carballo 解釋道：“這種創(chuàng)新方法可以定制模仿天然骨骼結(jié)構(gòu)的支架，這對(duì)于增強(qiáng)愈合過(guò)程中的細(xì)胞浸潤(rùn)和營(yíng)養(yǎng)交換至關(guān)重要。”

△圖：支架設(shè)計(jì)和形狀保真度。（a）計(jì)劃使用 200 μm 尖端打印的支架設(shè)計(jì)。（b）不同支架的可打印性指數(shù) (Pr)。右側(cè)為打印支架的圖像（頂部）和 Pr 的解釋?zhuān)篜r 值 =1 定義高形狀保真度，而 Pr 值大于和小于 1 定義封閉或不規(guī)則的孔隙。

△圖：支架微孔率取決于 3D 打印時(shí)溶劑的置換方式。 (a) 使用不同的溶劑置換方法通過(guò) FE-SEM 對(duì)支架表面進(jìn)行成像（比例尺為 20 μm）。 (b) 支架橫截面（比例尺為 20 μm）。

體外試驗(yàn)表明，3D 打印支架支持人類(lèi)間充質(zhì)干細(xì)胞增殖，并刺激血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的分泌——這是促進(jìn)血管形成的關(guān)鍵因素。此外，支架將鈣離子釋放維持在生理水平，這是支持血管形成的另一個(gè)重要因素。

另一方面，使用皮下小鼠模型對(duì)支架進(jìn)行體內(nèi)測(cè)試也顯示出了良好的結(jié)果。在植入后僅一周內(nèi)，支架就表現(xiàn)出良好的整合和明顯的血管浸潤(rùn)。PLA-CaP 支架特別有效，在四周后顯示出血管成熟度增加，沒(méi)有血管退化的跡象。對(duì)血管的分析顯示，血管壁最初很薄，但隨著時(shí)間的推移變得更厚更穩(wěn)定。這一進(jìn)展表明，支架不僅為血管生長(zhǎng)提供了初始支持，還為骨再生所必需的持久血管化創(chuàng)造了有利的環(huán)境。

“我們相信，我們的 3D 打印支架可以徹底改變我們處理骨再生的方式。通過(guò)增強(qiáng)血管化，我們可以顯著改善愈合效果，并降低與傳統(tǒng)移植方法相關(guān)的并發(fā)癥的可能性。”

——OscarCastaño，IBEC 高級(jí)研究員。

這些先進(jìn)支架的開(kāi)發(fā)凸顯了 3D 打印技術(shù)與鈣釋放顆粒等生物活性材料相結(jié)合的協(xié)同效應(yīng)。PLA-CaP 支架的結(jié)構(gòu)不僅有利于改善血管形成，而且還支持成骨，為更有效的骨愈合策略鋪平了道路，并有可能降低移植失敗率。