3D打印生物陶瓷支架表面微納米結(jié)構(gòu)調(diào)控骨-軟骨一體化修復(fù)研究獲進展

骨-軟骨缺損是臨床常見疾病。由于軟骨和軟骨下骨具有不同的生理功能和微結(jié)構(gòu)，因而骨-軟骨及其界面一體化修復(fù)極具挑戰(zhàn)。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領(lǐng)的研究團隊在前期研究中，提出了利用多種無機活性離子的共同作用誘導(dǎo)骨-軟骨一體化修復(fù)的思想，并設(shè)計了一系列不同組成成分的（Li，Mn，Sr，Si離子等）3D打印生物陶瓷支架，并有效地對兔子骨-軟骨缺損進行一體化修復(fù)。

在此研究基礎(chǔ)上，最近該團隊提出利用3D打印生物陶瓷支架表面微結(jié)構(gòu)調(diào)控骨-軟骨及其界面一體化修復(fù)的思想，并取得新進展。該研究成果被《先進功能材料》（Advanced Functional Materials，201806068R1）雜志接收（該論文第一作者為鄧翠君，指導(dǎo)導(dǎo)師為吳成鐵）。

具有表面微結(jié)構(gòu)的3D打印生物陶瓷支架通過激活整合素及RhoA信號通路促進骨-軟骨及其界面修復(fù)。

該團隊利用3D打印和原位生長相結(jié)合的方式，制備了有序大孔結(jié)構(gòu)生物陶瓷的支架，并在支架表面原位生長微米/納米磷酸鈣晶體。這種制備方式使不同形貌的磷酸鈣晶體能穩(wěn)定生長在陶瓷支架表面，而且能有效愈合支架表面的微裂紋，并顯著增強了支架的力學(xué)強度。體外研究結(jié)果表明，支架表面微納米結(jié)構(gòu)顯著提高了纖連蛋白的吸附，并進一步促進軟骨細胞黏附、增殖和成熟。

3D打印具有表面微結(jié)構(gòu)的生物陶瓷多孔支架。純BRT支架與不同表面微結(jié)構(gòu)修飾的復(fù)合支架Nanograin，Nano-lamella及Microrod的形貌。

此外，該研究首次發(fā)現(xiàn)生物陶瓷表面微結(jié)構(gòu)對軟骨細胞整合素α5β1、αvβ1有激活作用。其潛在作用機制如下：首先，生物陶瓷支架表面微結(jié)構(gòu)從周圍環(huán)境募集纖連蛋白，然后支架表面的纖連蛋白被細胞攝取并將其整合到整合素α和β亞基上，進而促進整合素表達及聚集。隨后，活化的整合素誘導(dǎo)F-Actin重組，并進一步促進軟骨特異性基因（SOX9, Aggrecan，COL2及N-cadh）表達，進而促進軟骨成熟。生物陶瓷表面微結(jié)構(gòu)除了對軟骨細胞有促進作用，同時對骨髓間充質(zhì)干細胞（rBMSC）的成骨分化也有誘導(dǎo)作用。


研究結(jié)果表明，生物陶瓷支架表面微結(jié)構(gòu)顯著增強rBMSC的早期黏附和增殖行為，隨后陶瓷支架表面微結(jié)構(gòu)通過激活rBMSC整合素α5β1及RhoA信號通路，并協(xié)同誘導(dǎo)F-Actin有序重組，進而促進rBMSC成骨分化。體內(nèi)研究結(jié)果顯示，支架表面微納米結(jié)構(gòu)不僅能有效促進骨-軟骨組織一體化修復(fù)，并且成功地將修復(fù)效果延伸至極其復(fù)雜的骨和軟骨界面。該研究為無機材料應(yīng)用于骨-軟骨修復(fù)領(lǐng)域提供了可行性依據(jù)，同時為生物陶瓷表面微結(jié)構(gòu)應(yīng)用于骨-軟骨及其界面的修復(fù)提供了新的研究思路。

相關(guān)研究工作得到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然基金與中科院青年拔尖人才項目等的支持。

來源：增材制造3D打印新材料研究所