3D打印面向骨軟骨界面重建的雙重生物活性鋰鈣硅酸鹽生物支架

供稿人:孟子捷 賀健康

由退行性疾病引起的骨軟骨缺損難以實現(xiàn)自愈合，軟骨和軟骨下的骨組織同時再生是治療骨軟骨缺損的有效方法之一。然而，設計一種用于骨軟骨缺損的再生的具有合適的離子成分和具有刺激骨/軟骨再生能力的生物支架是具有挑戰(zhàn)性的。Si在軟骨系統(tǒng)中起關鍵作用，對軟骨細胞外基質(zhì)的合成有積極影響；Li鹽可通過激活Wnt信號通路，促進小鼠軟骨下骨組織形成，提高骨量。利用Li和Si離子的協(xié)同作用作者認為L2C4S4支架可以同時再生軟骨和軟骨下骨組織。

Lei Chen等研究人員采用溶膠-凝膠法成功合成了一種純相的鋰鈣硅酸鹽 (Li2Ca4Si4O13, L2C4S4)生物陶瓷，并采用3D打印制備了L2C4S4支架。當孔徑為170 ~ 400微米時，L2C4S4支架的抗壓強度可被控制在15 - 40 MPa范圍內(nèi)。L2C4S4支架具有可控的生物降解性和良好的磷灰石礦化能力。在一定濃度范圍內(nèi)，L2C4S4的離子產(chǎn)物明顯促進了軟骨細胞的增殖和成熟，促進了rBMSCs的成骨分化。與純β-TCP支架相比，L2C4S4支架同時促進了兔骨軟骨缺損軟骨和軟骨下骨組織的再生。這些結果表明，3D打印的L2C4S4支架具有特異的離子結合，機械強度高，降解性好，具有雙重生物活性，是一種很有前途的骨軟骨界面重建生物材料。

圖一 L2C4S4支架在骨軟骨重建中的應用示意圖。采用溶膠-凝膠法成功地合成了純相L2C4S4粉體；3D打印的L2C4S4支架能在體外促進軟骨成熟與成骨分化；L2C4S4支架在體內(nèi)也能顯著加速軟骨再生，促進軟骨下骨組織重建

作者通過XRD分析了L2C4S4支架的相組成；通過光學顯微鏡、掃描電鏡和Micro-CT觀察了支架的形貌、孔結構和孔徑；通過模擬體液中浸泡后通過XRD、SEM、EDS等手段觀察了支架表面磷灰石的形成。此外，作者還在鹽酸緩沖液中進行了支架降解性能的測試，測量了支架質(zhì)量與離子釋放隨時間變化的性能。如圖二所示，作者使用兔骨髓干細胞(rBMSCs)進行細胞實驗，通過堿性磷酸酶比色法（ALP）對rBMSCs成骨分化的促進作用進行了檢測，使用茜素紅染色試劑盒研究了rBMSCs成骨分化的終末期并計算了鈣沉積，與β-TCP相比, L2C4S4明顯提升rBMSCs成骨分化，驗證L2C4S4離子產(chǎn)物對體外成骨和軟骨形成的促進作用。

圖2 直寫成形的水凝膠零件圖二 rBMSCs的成骨分化。β - tcp和L2C4S4提取物培養(yǎng)14天后rBMSCs的ALP活性(A) ALP活性(B) ALP染色圖像;用b-TCP和L2C4S4提取物培養(yǎng)21天，茜素紅分析rBMSCs， (C)茜素紅定量，(D)茜素紅染色圖像

作者將軟骨細胞和rBMSCs在L2C4S4支架培養(yǎng)24小時，通過SEM和骨架染色觀察細胞的形態(tài)與黏附情況。進而將支架植入骨軟骨缺損的兔子模型體內(nèi)，通過H&E染色和Micro-CT觀察，研究了支架對骨軟骨再生的體內(nèi)刺激作用。如圖三所示，Safranin-O/Fast Green染色結果顯示，與其他兩組相比，L2C4S4組在第12周時具有大量透明軟骨樣組織。

圖三 術后8周和12周軟骨和軟骨下骨的再生質(zhì)量。術后8周(A1-C3)和12周(D1-F3) Safranin-O/Fast Green染色。A1-3和D1-3: CTR組，B1-3和E1-3: b-TCP組，C1-3和D1-3: L2C4S4組。黑色、藍色和紅色分別代表支架、骨和軟骨。

該研究采用溶膠-凝膠法成功合成了純L2C4S4晶體，并采用3D打印技術制備了大孔結構高度均勻的L2C4S4支架材料。通過改變L2C4S4支架的孔徑(170-400微米)，可以將其抗壓強度有效控制在15- 40MPa，高于傳統(tǒng)的生物陶瓷和聚合物支架。3D打印的L2C4S4支架具有明顯的磷灰石礦化能力，有利于軟骨細胞和rBMSCs的附著。此外，濃度為6.25-25 mg/mL的L2C4S4提取物在體外明顯促進了軟骨細胞的成熟，促進了rBMSCs的成骨分化，而L2C4S4支架在體內(nèi)也促進了軟骨和軟骨下骨的再生。

參考文獻：
L. Chen, C. Deng, J. Li, Q. Yao, J. Chang, L. Wang and C. Wu, 3D printing of a lithium-calcium-silicate crystal bioscaffold with dual bioactivities for osteochondral interface reconstruction, Biomaterials, (196) (2019) 138-150

供稿人:孟子捷 賀健康
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室