3D打印介孔生物活性玻璃支架通过协同血管生成和成骨增强骨修复

| 3DScienceValley · 2023/10/01

血管通过提供营养和氧气，在骨骼生长和骨折愈合中发挥重要作用。尽管具有良好生物和理化性能的骨移植材料已经取得了很大进展，但这些材料的血管化仍然是骨再生的紧迫挑战。

近日，来自南方医科大学附属第三医院骨外科中心脊柱科的张亚东教授等人使用3D打印技术制备了介孔生物活性玻璃（MBG）支架，结合了两种独特的中药提取物，即四甲基吡嗪（TMP）和淫羊藿苷（ICA），用于增强血管化和骨修复。相关结果以“3D-printed mesoporous bioactive glass scaffolds for enhancing bone repair via synergetic angiogenesis and osteogenesis”为题发表在《Materials & Design》上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112089

研究要点

I 01「首先使用溶胶凝胶方法制备MBG粉末」

TEM测量（图1A）MBG介孔尺寸约为5nm。随后，通过3D打印技术制造了MBG支架（图1B) ，并将药物ICA和TMP加载到MBG支架中。SEM图像（图 1D）表明，掺杂ICA和TMP并没有明显影响支架的微观结构。支架的抗压强度为∼7.6 MPa（图 1E）。SBF中浸泡21天后SEM（图1F）观察到的磷灰石层表示支架具有潜在骨修复的生物矿化性能。PBS浸泡实验（图1G），表明支架具有利于骨再生的降解性能。此外，随着支架的降解，ICA和TMP可以在1周内持续释放出来（图 1I）。

图1 (A) MBG的 TEM 图像(B) MBG的SEM显微照片(C) MBG的元素图(D, E)四组支架的SEM显微照片和应力应变曲线(F) 四组支架在SBF溶液中浸泡21天后的SEM(G,H)四组支架浸泡在PBS溶液中的重量损失和pH值(I) ICA和TMP的累积释放

I 02「随后研究了支架的体外生物相容性和体外成骨作用」

在四种支架上培养大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSC），以研究ICA和TMP对体外骨形成的影响。rBMSCs 的粘附和增殖如图 2A所示，ICA@MBG和ICA/TMP@MBG支架上表现出更均匀的形态分布和延长的伪足。CCK-8检测（图2B）还定量表明，含有ICA的支架中表现出更多的细胞量。碱性磷酸酶（ALP）是早期成熟成骨细胞的关键标志酶，培养14天后的ALP染色（图2C），表明ICA/TMP@MBG支架，促进ALP形成最有效。茜素红染色也表明ICA/TMP@MBG 支架具有显着的骨诱导能力（图 2E）。

图2 (A)四种支架上培养的 rBMSC的SEM显微照片(B) rBMSC的增殖情况(C) rBMSCs培养14天后的ALP染色(D)不同组rBMSCs的ALP活性(E,F)第14天和第21天不同支架的茜素红染色(E)及相应的定量分析

I 03「接下来研究了支架的血管化作用」

图3A表明了支架在HUVEC上的血管生成活性。然后进行划痕实验（图 3B、C）和transwell实验（图 3D、E）表明ICA/TMP@MBG支架中ICA和TMP的组合可以有效促进骨再生过程中血管内皮细胞迁移和伤口愈合。成管实验（图 3F）也表明ICA/TMP@MBG支架可以促进骨再生过程中的血管形成。随后研究了小鼠颅骨缺损修复过程中的体内血管生成作用(图 4),也证明了含TMP组的血管化程度优于MBG和ICA@组。

图3 (A) 接种在四种支架上后HUVEC的增殖(B) 0 和 24 小时在显微镜下观察到的划伤试验图像(C) B图像测量的伤口闭合面积的百分比(D) 用不同支架培养的HUVEC的 Transwell 迁移测定(E) 迁移细胞数量的定量分析(F) 用不同支架培养的 HUVEC 的管形成测定

图4 (A) 术后8周骨缺损区域（白色圆圈）新形成血管的显微 CT 图像(B)骨缺损区域中V血管/ V组织的值(C) 术后 8 周新骨组织中针对血管生成相关基因 CD31 的免疫组织化学染色

I 04「最后，在支架植入后8周处死小鼠，收获带有支架外植体的头骨」

颅骨的3D重建显微 CT 图像（图 5A）表明新形成的骨组织在 ICA/TMP@MBG 支架上分布明显，在 ICA@MBG 和 TMP@MBG 支架上有一些，但在 MBG 支架上很少。相对骨体积/组织体积的定量分析和骨矿物质密度计算（图 5B）表明，ICA/TMP@MBG支架的成骨效率最高。对收获的头骨进行顺序连续荧光标记，表明与其他三组相比，ICA/TMP 组的矿化程度最高（图 5 C），这些结果表明ICA和TMP的组合可以显着提高MBG支架在骨修复中的成骨性能。

图5 所示(A)术后8周时各组头颅micro-CT图像的三维重建(B)骨缺损区BV/TV、BMD值(C)术后8周新生骨组织共聚焦荧光图像。分别于第2、4、6周肌肉注射四环素HCL(蓝色)、钙黄绿素AM(绿色)和茜素红(红色) (D)术后8周取材行he染色和Masson染色(E)术后8周取颅骨进行骨钙素免疫组织化学染色。*p < 0.05和**p < 0.01

总结

本研究通过3D打印成功制备了ICA和TMP共掺杂支架ICA/TMP@MBG，表现出优异的骨修复性能。体外结果表明，ICA/TMP@MBG支架表现出显着的生物相容性，尤其是促进rBMSC和HUVEC的增殖和粘附。体内实验进一步证实ICA/TMP@MBG支架具有优异的血管生成和成骨活性，从而促进小鼠颅骨缺损的血管化和血管化骨再生。

来源 l 医用金属与增材制造前沿

论文引用信息：

Jing Chen, Shiyang Liao, Yanlong Kong, Bitong Xu, Jingjing Xuan, Yadong Zhang,3D-printed mesoporous bioactive glass scaffolds for enhancing bone repair via synergetic angiogenesis and osteogenesis,Materials & Design,Volume 232,2023,112089,ISSN 0264-1275.

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