3D打印多孔支架用于高感染風險骨缺損的修復

在骨科臨床上,大段的骨缺損常伴有傷口的污染或開放，存在較高的感染風險。植入的材料在某種程度上也創(chuàng)造了細菌粘附生長的載體或微環(huán)境，細菌可在其表面形成生物膜，而生物膜的形成是感染發(fā)生的關鍵環(huán)節(jié)。近期，上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院骨科湯亭亭教授團隊利用3D打印方法，制備了聚乳酸-羥基乙酸共聚物/羥基磷灰石(PLGA/HA)復合多孔生物支架并表面接枝殼聚糖季銨鹽(HACC);體內外研究表明，該人工骨組織修復支架不僅具有很好的成骨能力，還兼具良好的抗菌活性。由于目前大多數骨缺損修復材料或技術都只著眼于無菌環(huán)境下的骨修復;此種兼具抗菌性能的人工骨組織替代材料，對臨床上高感染風險或已感染骨缺損的防治具有重要應用價值。

在骨科臨床上,大段的骨缺損常伴有傷口的污染或開放，存在較高的感染風險。植入的材料在某種程度上也創(chuàng)造了細菌粘附生長的載體或微環(huán)境，細菌可在其表面形成生物膜，而生物膜的形成是感染發(fā)生的關鍵環(huán)節(jié)。近期，上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院骨科湯亭亭教授團隊利用3D打印方法，制備了聚乳酸-羥基乙酸共聚物/羥基磷灰石（PLGA/HA）復合多孔生物支架并表面接枝殼聚糖季銨鹽（HACC）；體內外研究表明，該人工骨組織修復支架不僅具有很好的成骨能力，還兼具良好的抗菌活性。

由于目前大多數骨缺損修復材料或技術都只著眼于無菌環(huán)境下的骨修復；此種兼具抗菌性能的人工骨組織替代材料，對臨床上高感染風險或已感染骨缺損的防治具有重要應用價值。

如圖1所示，研究人員首先利用3D打印技術制備多孔立體PLGA/HA支架，然后將課題組前期研發(fā)的具有顯著抗菌活性的HACC以共價鍵結合的方式接枝于復合支架材料上。該3D打印支架的孔隙率為80%左右，孔隙連通率接近100%，孔徑為320μm左右（圖2）；接枝的HACC可隨支架材料的降解而緩慢釋放，4周模擬體液浸泡后，HACC總緩釋量等于其初始負載量的70%左右。

研究人員隨后將打印的支架材料分為四組（P：單純PLGA；P/HA：PLGA-HA；P/H：PLGA-HACC；P/HA/H：PLGA-HA-HACC）開展體外細菌學和細胞學試驗。首先通過金葡菌及其耐藥菌株接種及死/活細菌染色發(fā)現，接枝HACC的支架（P/H和P/HA/H）均可顯著抑制細菌的早期粘附和生物膜形成（圖3）。

研究人員進一步觀察了各組支架表面人骨髓間充質干細胞（hBMSCs）的粘附、增殖、骨架鋪展和凋亡情況。實驗結果表明，摻有羥基磷灰石的支架材料(P/HA和P/HA/H組) 表現出良好的細胞相容性，干細胞在其表面有更好的鋪展和增殖。成骨分化試驗表明，含羥基磷灰石的兩組支架材料表現出了更顯著的成骨活性，且支架表面接枝的HACC對支架的成骨性能無不利影響（圖4）。

同時，研究人員還利用生物發(fā)光金葡菌建立了動物皮下感染模型，實時、持續(xù)觀察了各組支架表面負載細菌在體內的生長情況，發(fā)現支架表面接枝HACC后，可有效抑制皮下植入物感染的進展，發(fā)揮了較好的體內抗菌活性（圖5）。進一步的組織學分析顯示，表面接枝了HACC的支架孔隙內的膿性病灶、炎性細胞浸潤、炎性纖維化和細菌殘留等均要顯著低于其余兩組，表明負載有HACC的復合多孔支架能有效發(fā)揮體內抗菌性能。

綜上所述，該研究中制備的復合支架能顯著抑制細菌粘附和生物膜形成，進而有效阻止感染的發(fā)生和發(fā)展；同時還能促進干細胞的粘附、增殖、骨架鋪展和成骨分化，具有良好的細胞和組織相容性。課題組近期還完成了高感染風險原位骨缺損修復動物模型的研究，證實此抗菌支架可以促進大鼠股骨感染性骨缺損的修復。

作者：楊穎，合作對象包括華東理工大學張洪波教授、香港中文大學秦嶺教授、瑞士AO研究所Geoff Richard教授等團隊。
來源：骨科在線