上海硅酸盐所吴成铁与常江团队等：制备出3D打印仿生莲藕支架

【成果简介】

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员吴成铁与常江带领的研究团队，在3D打印复杂结构生物陶瓷用于血管化大块骨缺损修复方面取得新进展。该研究团队受到自然界中莲藕内部平行多通道结构的启发，采用3D打印制备出仿生莲藕支架，并与上海交通大学附属第九人民医院蒋欣泉团队合作，进一步发现该类支架相对于传统3D打印支架，具有显著提高大块骨缺损的修复的能力。相关研究成果发表在Advanced Science上，并申请专利一项。

【图文导读】

图1 仿生莲藕支架孔隙率和力学强度的调控

（a）三种不同基元堆砌方式的仿生莲藕支架

（b,c）具有不同数目孔道和堆砌方式的仿生莲藕支架的（b）孔隙率和（c）力学强度

图2 仿生莲藕支架的体内生物学分析

（a，b）兔子间充质干细胞（BMSCs）在仿生莲藕支架上的SEM照片

（c-e）细胞培养在支架上第3天的共聚焦显微镜照片

（f,g）仿生莲藕支架的（f）细胞粘附和（g）增殖结果

【研究内容】

临床上，大块骨缺损的修复是人类面临的挑战之一，3D打印技术可以便捷的制备形状可控的多孔支架材料，广泛应用于生物材料和骨组织工程领域。传统3D打印支架具有多孔的结构，将材料植入缺损部位后，营养物质和细胞沿着孔向内渗入支架内部，有利于骨组织向内长入，促进骨缺损的修复。然而，传统3D打印支架在大块骨缺损方面仍显不足。传统3D打印支架由实心的基元堆叠而成，降低了材料的孔隙率；传统3D打印支架的孔隙呈阶梯三维延伸状，并没有形成平直的孔道状，在流体力学上有较强的流体阻力，不利于营养物质和细胞渗入支架内部，阻碍了修复过程中的成血管和成骨。

该研究团队把传统3D打印支架每个基元的内部做成平行多通道结构，这种结构有望促进新血管和骨组织的长入，有利于骨缺损的修复，并重新设计了内部共轴镶嵌的挤压式3D打印针头，通过改进的3D打印制备方法，实现一次性打印仿生莲藕支架，改进的3D打印方法能够调控仿生莲藕支架的物理和化学性质。采用该方法不仅可以用各种生物陶瓷（Akermanite, Al₂O₃, ZrO₂）、金属Fe和高分子海藻酸钠等多种材料制备出仿生莲藕支架，而且能制备出不同形状、孔道数目、孔道直径的仿生莲藕支架。此外，通过调控3D支架的基元堆砌方式和孔道数目，来调控该仿生莲藕支架的孔隙率和力学强度。该仿生莲藕支架的最高孔隙率达到80%，力学强度可达40MPa以上，能满足骨缺损修复材料的要求。

研究团队进一步通过选择生物活性良好的镁黄长石（Akermanite）陶瓷作为基体代表材料，来探究这种仿生莲藕材料在骨组织再生工程中的性能和应用，分别制备了具有单孔道、双孔道、三孔道和四孔道的仿生莲藕生物陶瓷支架。体外生物学分析结果表明，与传统3D支架相比，该仿生莲藕镁黄长石生物陶瓷支架更有利于细胞的粘附和增殖，并随着通道数目的增加，其效果越明显增加。体内动物实验表明，该仿生莲藕生物支架提高了骨组织再生能力和成血管化效应，有利于骨缺损的修复。与传统的3D生物活性支架相比，该3D打印仿生莲藕生物支架更有利于营养物质向支架内部的传输，引导细胞和组织向内长入，从而促进前期的成血管以及后期的成骨，提高了骨缺损的修复性能。由于其多通道高孔隙率的结构特点，该种材料还可以用于药物大分子装载、表面功能化修饰以及催化、能源、环境等其他领域。

研究工作得到了中组部青年千人计划、国家重点研发计划和国家自然基金、中科院前沿科学研究计划等的资助。

原文链接：http://www.cas.cn/syky/201711/t20171101_4620142.shtml

文献链接：3D Printing of Lotus Root-Like Biomimetic Materials for Cell Delivery and Tissue Regeneration（Adv. Sci.,2017,DOI:10.1002/advs.201700401）

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