供稿人：姜澤鑫、孫暢寧 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2025-04-24
關(guān)節(jié)軟骨缺損是骨科手術(shù)中一個突出的臨床難題，也是導(dǎo)致殘疾的一個主要原因。然而，由于軟骨具有無血管性質(zhì)和獨特的結(jié)構(gòu)特征，受損軟骨的再生潛力明顯受到限制，尤其是大面積軟骨缺損的再生極具挑戰(zhàn)性。而三維打印技術(shù)憑借可以精確控制尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)等因素，已成為以省時、經(jīng)濟(jì)的方式生成患者特異性組織缺損再生的基石。
之前的研究表明，與非結(jié)構(gòu)化支架相反，分層結(jié)構(gòu)的 3D 打印支架獨特地調(diào)節(jié)了各種組織再生過程，包括免疫反應(yīng)、血管生成和干細(xì)胞歸巢。而鍶（Sr）在骨再生治療中得到了廣泛應(yīng)用，已被證明具有增強(qiáng)軟骨細(xì)胞增殖和成熟、誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞 M2 極化并促進(jìn)人骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞的軟骨形成分化的作用。但是，全面了解鍶對同時調(diào)節(jié)骨軟骨缺損中軟骨和骨修復(fù)的治療作用的研究還很少。因此，檀國大學(xué)組織再生工程研究所的程吉麗及其團(tuán)隊將聚己內(nèi)酯 (PCL)、生物活性納米玻璃 (SrBGn)和冰片（一種造孔劑）的混合物進(jìn)行逐層 3D 打印，形成一種具有宏觀孔隙、微觀孔隙和納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的層次結(jié)構(gòu)，且該支架可以持續(xù)釋放鍶/硅/鈣離子，為開發(fā)用于骨軟骨缺損修復(fù)提供了一種有前途的策略。
圖 1 分層結(jié)構(gòu) 3D 打印支架與鍶摻雜生物活性納米玻璃復(fù)合的制備和特性。a)擬議的復(fù)合支架（簡稱 SrBGn-μCh）示意圖。SrBGn（頂部）和 BGn（底部）（比例尺= 300 nm）的代表性 FESEM 圖像。c)物理性質(zhì)。d) 測量 SrBGn 和 BGn 元素比的 EDS 分析。e)FESEM 圖像顯示了不同尺度上支架的分層結(jié)構(gòu)，以及揭示互連微通道的橫截面。f)通過 AFM 測量的 SrBGn-μCh 頂部和底部的三維圖像。g)基于(f)的表面粗糙度量化（n=4個支架）。h)氫氧化鈉處理前后支架的水接觸角測量
為了制備這種支架，首先使用了溶膠-凝膠法合成生物活性納米玻璃SrBGn，在該方法中，Sr、Si 和 Ca 前驅(qū)體在水和氫氧化銨混合物中通過靜電相互作用與十六烷基三甲基溴化銨 （CTAB） 形成膠束。乙氧基乙醇穩(wěn)定了膠束的形成，促進(jìn)了縮聚和中孔的產(chǎn)生。然后在丙酮中制備由 PCL、SrBGn 和莰烯組成的復(fù)合溶液，并在乙醇浴中進(jìn)行3D打印。由于 PCL 的良好溶劑丙酮和非溶劑乙醇之間的相分離，復(fù)合絲迅速凝固。隨后，將復(fù)合支架凍干，通過升華去除莰烯，從而在支架內(nèi)形成高度多孔的結(jié)構(gòu)。
圖2 a)軟骨修復(fù)的大體外觀。b)在移植后第20周對再生軟骨進(jìn)行H&E、Masson、Safranin O和 II 型膠原蛋白染色的圖像。c)通過 MT 染色定量分析總膠原蛋白的陽性染色區(qū)域，通過免疫染色對 II 型膠原蛋白進(jìn)行定量分析。將面積（%）標(biāo)準(zhǔn)化為完整組以進(jìn)行比較（n = 4 只動物）。d)評估細(xì)胞環(huán)狀（來自 4 只動物的n = 11個細(xì)胞）和細(xì)胞聚集（來自4只動物的n = 6個視野）的細(xì)胞形態(tài)學(xué)分析。e) 顯微 CT 圖像（左）顯示植入后第 10 周缺損中再生的軟骨下骨（比例尺 = 1 mm（頂部）和 250 μm（底部））。新形成的骨組織區(qū)域以紅色突出顯示。骨體積/組織體積 （BV/TV） 分析（右）量化了再生程度（n = 5 只動物）。**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001
作者團(tuán)隊通過體內(nèi)和體外實驗均證實了該支架的關(guān)鍵功能即軟骨修復(fù)性能，SrBGn-μCh在植入20周后內(nèi)缺損部位已與周圍健康組織無縫整合（圖2a），染色圖像、細(xì)胞環(huán)狀和聚集評估圖以及顯微CT圖像等也進(jìn)一步表明其修復(fù)功能最強(qiáng)。表明所研究的支架在骨缺損修復(fù)過程中的骨和軟骨修復(fù)均具有良好的結(jié)果。
以PCL為支架的主要材料，用于提供機(jī)械強(qiáng)度和可降解性，輔之生物活性納米玻璃SrBGn，作者團(tuán)隊開發(fā)了一種具有離子釋放和分層結(jié)構(gòu)的骨軟骨修復(fù)支架，為軟骨修復(fù)提供了一種新的途徑。