基于快速牽張療法的3D打印生物彈性支架用于下頜骨缺損修復研究

來源：EFL生物3D打印與生物制造

下頜骨缺損修復中，下頜骨牽張成骨術（MDO）雖被廣泛認可，卻存在牽張期長、需多次就醫(yī)，且縮短牽張期易致骨不連和新骨質量差等問題。上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院的柴崗、董雷和周廣東教授團隊，構建了 3D 打印定制聚甘油癸二酸酯（PGS）支架，結合快速 MDO 修復下頜骨缺損。該支架能適應動態(tài)牽張間隙，為骨髓間充質干細胞（BMSCs）提供成骨微環(huán)境，縮短牽張期并加速骨再生整合。相關工作以“3D Printed Bioelastomer Scaffold for Mandibular Defect Repair Based on Rapid Distraction Therapy”為題發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上。

研究內容
通過計算機輔助設計和3D打印技術制作出具有定制形狀、分層多孔結構且可大規(guī)模壓縮的聚甘油癸二酸酯（PGS）支架，并將負載骨髓間充質干細胞（BMSCs）的水凝膠封裝其中，研究了該彈性支架在頜骨牽張成骨（MDO）過程中對動態(tài)變化的下頜骨缺損的適應性，結果表明支架壓縮填充骨間隙后能隨缺損擴大逐漸回彈，為干細胞遷移和組織生長提供橋梁。  

圖 1. 基于快速牽張療法的 3D 打印彈性 PGS 支架設計

利用兔下頜骨術前CT數據重建骨骼組織并模擬骨延長過程，設計出適配下頜骨缺損的支架，采用含PGS預聚物、氯化鈉顆粒和溶劑的復合墨水解決3D打印噴嘴堵塞問題，制備出具有宏觀框架和微觀孔隙的PGS支架，研究了支架的層級結構、機械性能及BMSCs負載后的細胞相容性，結果表明支架可壓縮至應變80%仍保持結構完整，且BMSCs在支架中能穩(wěn)定存活。

圖 2. 3D 打印 PGS 支架的制備、結構與細胞培養(yǎng)

在兔急性延長（AL）和MDO模型中分別植入不同支架，通過X射線和顯微CT（Micro-CT）評估新骨形成情況，研究了PGS支架對快速牽張模型中骨再生質量的影響，結果表明負載BMSCs的支架組新骨寬度、連續(xù)性及骨礦物質密度顯著提升，在MDO模型中骨體積分數（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb.Th）等參數改善更明顯。  

圖 3. 術后 7 周下頜骨缺損修復的形態(tài)與放射學評估

對AL模型術后7周的骨組織進行HE染色、Masson三色染色及免疫組化染色（檢測BMP-2、COL-1等成骨標志物），研究了新骨組織的結構和分子表達，結果表明負載BMSCs的支架組纖維組織比例減少，骨組織增多，成骨相關蛋白表達升高，血管生成標志物（CD31）陽性率增加。  

圖 4. 急性骨延長（AL）模型的組織學分析

在MDO模型中采用相同組織學染色方法，研究了PGS支架在動態(tài)牽張環(huán)境下對骨再生的促進作用，結果表明與AL模型相比，MDO模型中負載BMSCs的支架組新骨更成熟，膠原沉積更少，骨礦化程度更高，血管生成更為活躍。

圖 5. 快速牽張成骨（MDO）模型中下頜骨修復的組織學結構與血管生成評估

量化分析骨不連間隙寬度、纖維與骨組織比例、皮質骨厚度及成骨標志物表達密度，研究了PGS支架促進骨再生的定量指標，結果表明負載BMSCs的支架顯著縮小骨不連間隙，增加骨組織比例和皮質骨厚度，且MDO模型中的成骨效果（如BMP、OCN表達）優(yōu)于AL模型。

圖 6. 急性延長與 MDO 模型中骨再生效果的定量組織學分析對比

研究結論
本研究表明，3D打印的PGS支架不僅能有效貼合下頜骨形態(tài)、適應動態(tài)變化的缺損，還能在負載BMSCs后為組織生長確保充足空間并提供良好的成骨微環(huán)境。其顯著改善了急性延長和快速MDO模型中新骨的質量與結構完整性，具體量化反映在骨體積分數、骨礦物質密度、骨小梁厚度、骨表面與骨體積比以及皮質骨厚度等方面。PGS支架有助于在快速MDO中提升牽張速度時保持良好的新骨質量，這為縮短MDO的牽張持續(xù)時間同時維持治療效果提供了可行途徑。此外，研究還發(fā)現MDO模型中的增強效果較急性延長更為顯著，這可能暗示填充材料在不同生物力學環(huán)境中具有不同潛力，且PGS支架的成骨效應可能與血管生成增加密切相關，值得未來深入研究。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adhm.202405193