四川大學張興棟院士團隊：仿生基質重構3D打印梯度多孔支架再生微環(huán)境加速骨再生

來源：高分子科技

尋找理想的骨再生性植入物仍然是臨床上一個持續(xù)的挑戰(zhàn)。天然骨組織的微觀結構中，堅實的無機成分(羥基磷灰石)主要負責支撐、保護和承重，而柔軟的有機成分（膠原纖維，多糖）在干細胞的增殖和遷移中起著重要作用。因此，有效地模擬天然骨軟硬結合的雜化的結構與功能，有助于調控干細胞命運來改善骨再生進程。3D打印技術可以用于組織工程支架結構的精確控制，特別是創(chuàng)建有序孔隙和用戶自定義結構，被廣泛應用于組織工程領域。然而，目前以PCL，PLA等為主的擠出式3D打印支架難以提供組織重塑過程中長期穩(wěn)定的營養(yǎng)供給，同時其表面缺乏活性配體，這會導致無效的細胞粘附和下游細胞事件，難以模擬骨組織再生過程所需的生理微環(huán)境。


針對以上問題，四川大學生物醫(yī)學工程學院/國家生物醫(yī)學材料工程技術研究中心孫勇研究員/樊渝江教授在前期的工作基礎上（Nat. Commun., 2022; Adv. Funct. Mater., 2023），利用多巴胺介導的化學整合，將仿生胞外基質凝膠修飾在聚多巴胺涂層的3D打印PCL支架中，構建了軟-硬結合的活性骨修復體（BM-g-DPCL，圖1）。該策略改善了3D打印支架植入后的再生微環(huán)境，對于成骨基質的重塑起到重要作用。其中，梯度多孔結構設計有利于潛在的細胞遷移和營養(yǎng)傳質；聚多巴胺涂覆的“硬”性PCL支架促進鈣離子螯和及隨后的類骨質沉積，并維持植入體的力學環(huán)境；多酚基團化學錨定的“軟”性凝膠基質改善再生微環(huán)境，增強了干細胞的粘附、增殖和成骨分化�；钚怨切迯腕w（BM-g-DPCL）加速內源性干細胞(ESCs)募集，并啟動了快速的血管形成（圖2）。在兔顱骨缺損模型(Φ = 10 mm)中，活性支架促進新生組織與植入體界面融合，誘導新生骨基質在支架內部沉積（圖3）。蛋白質組學確認細胞因子粘附、生物礦化沉積、快速血管化及促進胞外基質形成是加速骨缺損愈合的主要因素（圖4）。這種仿生的軟硬組分高度化學鍵和的策略提供了無細胞/無因子的組織工程支架再生的新策略。

圖1 活性骨修復體BM-g-DPCL的構建

圖2 仿生基質加速rBMSCs體外遷移和體內內源性干細胞（ESCs）募集

圖3 兔臨界顱骨缺損的內源性骨再生

圖4 差異的蛋白表達揭示成骨分化機制

相關研究成果以“Covalently grafted biomimetic matrix reconstructs the regenerative microenvironment of the porous gradient polycaprolactone scaffold to accelerate bone remodeling”為題于2023年2月發(fā)表在《Small》。

原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202206960