上海硅酸鹽所：3D打印多功能支架材料研究進展

目前臨床上對于實體瘤的治療，通常采用以手術切除為主，化療、放療為輔的綜合療法。手術切除大部分骨腫瘤組織之后，在原發(fā)灶部位會造成大塊組織缺損，超過人體自愈范圍，因而需要植入組織工程支架進行誘導修復。同時，由于手術很難完全清除腫瘤細胞，為防止腫瘤復發(fā)，臨床通常會借助傳統(tǒng)化療和放療手段，而放療和化療對病人會造成很大的毒副作用。據(jù)南極熊了解，為解決該問題，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的研究團隊提出構建兼具腫瘤治療和組織再生雙功能特性的3D打印組織工程支架，近期取得了系列性重要進展。

該團隊采用3D打印和原位生長相結合的方式，制備了有序大孔結構生物陶瓷的支架，并在支架表面原位生長二硫化鉬納米片(圖1)，賦予支架在近紅外照射下迅速升溫的特性。這種制備方式不僅使得二硫化鉬納米片非常穩(wěn)定地依附在陶瓷支架的外層，而且可以對支架的光熱性能和成骨活性進行有效調控。將支架植入腫瘤部位，結合近紅外光照射進行治療，有效抑制了腫瘤的生長，而其他對照組的腫瘤生長不受抑制。同時，體內骨修復實驗表明這種復合支架保持了生物陶瓷支架原有的優(yōu)良成骨活性，且證實短暫的激光照射不會影響長期的新骨再生(圖2)，在骨腫瘤的治療與修復中表現(xiàn)出巨大的應用潛力。目前該研究成果被Nature 出版集團的期刊 NPG Asia Materials, AM2016556R 接收(該論文第一作者為在讀博士生王小成)。

圖1.3D打印制備的具有二硫化鉬納米片層的生物陶瓷多孔支架，支架具有優(yōu)良的光熱特性與成骨活性。純陶瓷支架AKT(a)及不同二硫化鉬含量的復合支架0.05MS-AKT(b)、0.1MS-AKT(c)及0.2MS-AKT(d)的形貌。

圖2. 兔子股骨缺損部位植入3D打印的二硫化鉬修飾的生物陶瓷支架(a，b)和純陶瓷支架(c，d)八周后，在支架內部和周圍形成大量新生骨組織(e，f)。

該團隊利用多巴胺原位聚合與3D打印生物支架表面礦化的特點，在3D打印的Ca-P-Si生物陶瓷支架表面上誘導出一層自均勻組裝的聚多巴胺/Ca-P納米層(圖3)，使其兼具光熱抗腫瘤的療效及修復大塊骨缺損的能力。誘導后的支架表面粗糙度及親水性的提高，以及納米層中含有的OH、NH2-生物活性基團能夠促進骨間充質干細胞粘附和增殖。其次，誘導出的納米層能夠促進Ca-P礦化，有利于營養(yǎng)物質的吸附，進而促進骨間充質干細胞的分化及體內成骨。同時，誘導后的支架在808nm近紅外光照射下，能實現(xiàn)快速升溫，進而利用其良好的光熱效果，能有效殺死腫瘤細胞，抑制裸鼠體內腫瘤生長。該成果已經申請專利一項，相關研究成果發(fā)表在Biomaterials.2016; 111: 138-148. (該論文第一作者為在讀生馬紅石)，該工作被Materials Today 以新聞亮點形式報道(圖4)。最近，該團隊利用活性營養(yǎng)元素制備了超細的合成了超小尺度的CuCoS2 納米晶(~10 nm)，其光熱轉換效率能達到73%，具有非常優(yōu)良的光熱效應，能有效殺死腫瘤，同時因為Cu等活性元素可以促進血管化，可能是一類新型的兼具“骨修復”與“腫瘤治療”的雙功能生物活性納米材料(Adv Funct Mater 2017DOI: 10.1002/adfm.201606218)。

圖3. (a)依次為純生物陶瓷支架，2mg/mL, 4mg/mL, 6mg/mL 多巴胺誘導的生物陶瓷支架照片;純生物陶瓷(b)和4mg/mL多巴胺誘導的生物陶瓷支架(c)的顯微照片;純生物陶瓷支架(d), 4mg/mL多巴胺誘導的生物陶瓷支架(e)的SEM結果;4mg/mL多巴胺誘導的生物陶瓷支架斷面SEM(h)以及斷面能譜(i)。

圖4. Mater Today 以“Mussel-inspired scaffolds help treat bone cancer”新聞亮點報道團隊工作(Biomaterials. 2016; 111: 138-148)。

此外，該團隊還與同濟大學合作，探索了細胞生物打印。該團隊采用酶引發(fā)聚合溫和的高強度超分子-高分子復合水凝膠與干細胞進行結合，通過原位3D打印，成功實現(xiàn)了干細胞在酶鉸鏈的高強度水凝膠支架中的高效存活，為干細胞原位3D打印開辟了新方法 (Chem Sci 2016;7:2748-2752)。目前相關研究已經實現(xiàn)了部分技術轉移轉化，獲得企業(yè)橫向支持300余萬元。相關研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃，中科院青年拔尖人才以及國家自然基金支持。

來源：上海硅酸鹽研究所