浙江大學：3D打印分層三維移植體用于顱面骨的功能修復

來源：高分子科學前沿

在臨床上，顱面骨缺陷通常是采用骨移植的方式進行治療。為了避免自體移植和異體移植的缺點，如供體部位的發(fā)病率和疾病傳播的風險，近年來，造骨異體移植（Bio-Oss）變得越來越流行。大多數(shù)人工骨移植材料主要采用的是羥基磷灰石材料，這也導致很多異種移植物表現(xiàn)出延遲降解，阻礙了新骨的生長，延長了骨愈合。更嚴重的問題是新骨的質量與原生骨不同，利用這種方式誘導產生的新骨沒有典型的殼狀皮質和網狀松質骨，而是充滿顆粒的骨塊。對于顱面骨，尤其是頜骨，具有復雜的三維結構支持牙齒的健康生理功能，在利用這一治療技術再生新骨應特別考慮到這一點。

松質骨是多孔的，內部有板狀或棒狀結構。這些物理結構確保了內皮細胞的形成和生物礦化。為了設計出更多的仿生骨構造，人們采用了各種方法，特別是3D打印技術來模仿自然結構，包括模仿松質骨的三周期最小表面（TPMS）骨支架或分層多孔結構支架、模仿長骨組織的具有皮質骨和松質骨結構的支架，以及具有綜合層次結構的Haversian骨模仿構造。但是，現(xiàn)有的生物仿生支架相關研究主要是針對長骨設計的，對于顱面骨重建的研究很少。此外，原生牙槽骨結構與其咀嚼功能有密切關系，但現(xiàn)有的研究更多地集中在新骨塊的增生上，旨在通過自然組織修復重建健康的機械咀嚼功能的研究還未見報道。

為填補這一領域的空白，浙江大學謝志堅團隊、唐�？祱F隊、賀永團隊合作聯(lián)合提出了一種基于明膠甲基丙烯酰（GelMA）分層的三維移植物，用于重建顱面骨的自然結構和健康的生物功能重建。他們開發(fā)了一種有機無機納米墨水，其中含有超小磷酸鈣低聚物和骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP-2），用于新骨生長在時間和空間上的引導。利用高分辨率投影的3D打印技術，賦予支架以仿生的層次結構，包括一個包含Haversian系統(tǒng)的皮質層和一個相互連接的多孔海綿層，并且在這兩層中加載了不同濃度的生物活性因子，以便以梯度密度再生新骨。該移植體在體外表現(xiàn)出良好的成骨和血管生成潛力，在體內加速了血管再生并重建了具有原始形態(tài)的新骨。受益于這樣的天然結構，負載力被均勻分散，減少了插入的牙齒種植體周圍的應力集中。該工作以題為“A Hierarchical 3D Graft Printed with Nanoink for Functional Craniofacial Bone Restoration”的文章發(fā)表于Advanced Functional Materials上。

分層三維骨移植體的設計和制造

受原生顱面骨微觀結構的啟發(fā)，使用SolidWorks設計了一個模仿皮層的、貫穿整個Haversian系統(tǒng)的層，以及一個類似海綿的多孔層。在皮質模型中，通道的直徑被設計為500微米，這有利于內皮細胞的生長和血管的形成在松質層中，TPMS結構被廣泛證明在骨組織工程中具有良好的生物學性能和可控的機械性能，在該工作中設計為平均孔徑為400微米，通道和孔隙的壁厚為200 μm，這是有效輸送營養(yǎng)和氧氣擴散的有限距離。兩層都是在導入基于投影的3D打印機后分別制作的，然后通過在界面上方可交聯(lián)GelMA前體來組裝一個仿生支架。由此，通過基于投影的3D打印技術，成功地制造了一種受天然骨微結構啟發(fā)的分層移植體。

用有打印的墨水主要采用可交聯(lián)GelMA前體作為基底。用于基于投影的3D打印的墨水在打印過程中應該足夠均勻和穩(wěn)定。因此，在該工作中采用平均直徑為1.4±0.38納米的超小磷酸鈣低聚物（CPO），所形成的墨水穩(wěn)定性較使用傳統(tǒng)的無定形磷酸鈣（ACP）更高。為了評估在暴露于405納米的光線下液體和固體的轉變，測試不同含量的CPO（0%、5%、10%和20%）的流變性質。溶膠/凝膠過渡點（G′=G″）隨著CPO含量的增加而增加，這意味著交聯(lián)效率可能受到影響，但仍在可接受的范圍內。通過優(yōu)化，確定使用20%含量的COP作為打印墨水。為了實現(xiàn)骨誘導生長，一些試劑如BMP-2也被添加進墨水中。

分層三維骨移植體的實際應用

顱面骨的梯度密度具有生理意義，高度礦化的皮質骨可以抵抗外力，支持牙齒/種植體的功能，低密度的松質骨可以分配咀嚼力。初步實驗顯示，新骨的密度與CPO的含量有很大的關系。因此，在這項工作中，不同濃度的BMP-2和CPO被應用于仿生移植中，目的是誘導具有自然梯度密度的快速新骨形成。作為對照，相同濃度的納米墨水被用來制造沒有微結構的塊狀支也被設計和制造。在下頜骨矩形缺陷的兔子植入移植體，以測試分層生物仿生移植物的內在血管生成和成骨潛力，并將結果與未處理的對照組進行比較。首先進行顯微CT掃描以觀察新骨形成。術后6周，用仿生支架處理的缺損處表現(xiàn)出更厚的皮質骨和更強的骨小梁，在第12周繼續(xù)形成結構良好的新骨，表面形成連續(xù)的皮質骨，內部有粗大的編織骨。這種結構與原生下頜骨的結構相當相似。與對照組相比，含有生物活性因子的塊狀移植物促進了骨的形成，其密度和體積明顯增加；但是，塊狀結構阻礙了細胞的浸潤，從而減緩了降解率，影響了新骨組織的生長。因此，在6周和12周時，大量的塊狀移植物仍然存在，周圍有異常的新骨質再生。

小結：該文報道了了一種均勻的有機-無機納米墨水，將BMP-2和超小的CPO納入GelMA前體中。通過基于投影的3D打印方法，用所得到的納米墨水構建了一個分層的支架，其中有包含Haversian系統(tǒng)的皮質層和具有TPMS結構特征的松質層。這種支架具有良好的生物相容性，在體外具有很強的成骨和血管生成能力，兔顱骨缺損修復模型證實，伴隨著快速的血管再生，仿生移植體誘導出結構良好的全厚新骨。更重要的是，有限元分析結果表明，這種分層移植所誘導的新形成的具有自然組織的骨，有利于發(fā)揮生物功能，使集中在植入物周圍的應力降低，負荷分擔區(qū)域擴大。這種設計理念為開發(fā)以功能為導向的三維移植體提供了新的見解，目的是在臨床應用中產生更好的功能效果。