供稿人：張益涵、王玲 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2024-01-07
天然骨是由有機和無機成分組成的復合組織，表現(xiàn)出壓電性。白磷鈣石（WH）是一種天然的含鎂磷酸鈣，由于其燒結(jié)處理后具有獨特的壓電性能和鎂離子（Mg 2+）的持續(xù)釋放，近年來在骨形成方面引起了人們的極大關(guān)注。
北京化工大學有機復合材料國家重點實驗室蔡晴教授團隊提出了第一個具有持續(xù)Mg 2+釋放的仿生壓電支架的例子。通過熔融擠出成形（FDM）方式制備壓電WH（PWH）和聚己內(nèi)酯（PCL）組成的復合支架（表示為PWH支架），如圖1所示。該支架滿足神經(jīng)血管化骨組織再生的生理需求，即在缺損部位提供內(nèi)源性電場。同時，WH支架中Mg 2+的持續(xù)釋放顯示出多種生物活性，與壓電效應在抑制破骨細胞活化、促進骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）向神經(jīng)、血管和成骨方向分化方面表現(xiàn)出較強的協(xié)同效應。
圖1 骨特異性電活性含PWH的有機-無機復合支架的設計的示意圖
PWH NP和PWH復合支架的制備和表征如圖2所示，為了比較，該團隊打印非電活性PCL、PCL/WH（為了簡化，表示為WH scaff fold）和PCL/β-TCP（β-磷酸三鈣，為了簡化，表示為β-TCP支架）支架。壓電PWH NP在再生骨組織方面顯示出優(yōu)于WH NP和β-TCP NP的優(yōu)勢，WH的支架都表現(xiàn)出Mg和Ca離子的持續(xù)釋放長達21天。上述結(jié)果共同證明PWH支架具有上級的壓電性和生物活性離子的持續(xù)釋放，這有望有利于骨再生。
圖2 (A)基于PWH NP的3D打印復合支架的制造過程圖(B)WH NP的代表性SEM圖像 (C)各種復合膜的CV曲線（D）AC阻抗曲線（±表示退火與否）(E)退火處理（650 ℃，3小時）前后WH NP的XRD圖和（F）FTIR光譜圖 (G)各種支架的壓縮應力-應變曲線 (H)PWH和WH支架的Mg 2+和Ca 2+釋放曲線 (I)3D打印PWH支架的照片 (J)代表性SEM和P、Ca和Mg元素映射圖像
部分細胞實驗及動物實驗過程及結(jié)果如圖3所示。綜合體外實驗的總體結(jié)果充分證明，PWH支架可以促進神經(jīng)元分化，增強血管生成，抑制破骨細胞，從而增強骨再生。此外，與 WH 支架（即缺乏電活性）和 β-TCP 支架（即缺乏電活性和 Mg2+ 供應）相比，這些特征使得 PWH 支架在修復大鼠顱骨缺損方面表現(xiàn)得更好。源自 PWH 支架的 Mg2+ 和壓電的協(xié)同效應可以顯著促進神經(jīng)發(fā)生和血管生成，從而增強骨生成。因此，我們預計這種骨特異性仿生支架可以為骨再生提供一種有前途的策略，這可以極大地拓寬WH/PWH在再生醫(yī)學中的應用。
圖3 (A)RT-PCR評價骨髓間充質(zhì)干細胞神經(jīng)源性和血管源性分化的實驗過程示意圖 (B)SD大鼠顱骨缺損模型建立以及通過促進神經(jīng)發(fā)生和血管生成來增強骨再生機制 (C)CAM測試實驗示意圖 (D)支架及注射支架提取物刺激的血管生成可視化圖像 (E)大鼠頭骨的重建 3D 顯微 CT 圖像