Adv. Funct. Mater.：3D打印Mn-TCP双联生物陶瓷支架用于骨-软骨再生

【引言】

骨关节炎（OA）是目前常见的一种疾病，该病会损伤关节软骨，进而导致软骨下骨的变形。然而目前的治疗方法如自体软骨细胞移植等大都针对软骨表层接缝的再生治疗，不能有效地用于整个骨软骨缺损的再生。骨软骨组织主要由软骨及软骨下骨构成，二者具有不同的生物学特征。正是因为这一特点，使得早期研究出的生物支架材料都仅仅只能用于单纯的骨组织或者软骨组织再生中。虽然后期的双相及三相支架材料实现了对软骨和软骨下组织的模拟，但对于模拟复杂的骨软骨组织界面仍显不足。因此，构建兼具软骨-软骨下骨一体化修复的3D打印生物陶瓷支架是当前研究的一项重要任务。

【成果简介】

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所吴成铁研究员和南京医科大学王黎明教授（共同通讯作者）团队在Advanced Functional Materials上发表了题为“3D Printing of Bilineage Constructive Biomaterials for Bone and Cartilage Regeneration”的研究论文，报道了结合二价锰离子和磷酸三钙构建兼具软骨-软骨下骨一体化修复的3D打印生物陶瓷支架的方法，他们利用3D打印技术制备了不同Mn掺杂量的Mn-TCP生物支架陶瓷，产品兼具了Mn和磷酸三钙支架的优点，且体内修复实验表明，Mn-TCP支架可以显著促进软骨下骨和软骨组织的生成，生物学上满足软骨和软骨下骨同时再生的要求，有望用于骨关节炎的治疗当中。

【图文导读】

图1：不同Mn掺杂量（纯TCP，2.5Mn-TCP，5Mn-TCP，10Mn-TCP）的TCP材料的表征

（A）650℃焙烧后的XRD谱图；

（B）热分析。纯TCP以及Mn（2.5，5，10）-TCP的晶型转变温度分别为757.6℃，717.7℃，707.0℃，625℃；

（C）Mn的含量对于TCP晶体晶格中a，c轴参数的影响；

（D）Mn的含量对于TCP晶体单个晶胞体积的影响。

图2：Mn-TCP生物陶瓷支架形貌表征图

（A-D）依次为TCP，2.5 Mn-TCP，5 Mn-TCP，10 Mn-TCP的低倍照片；

（E-H）依次为TCP，2.5 Mn-TCP，5 Mn-TCP，10 Mn-TCP的高倍照片；

（I-L）依次为TCP，2.5 Mn-TCP，5 Mn-TCP，10 Mn-TCP的SEM图片。

图3：不同Mn掺杂量的TCP材料的进一步表征

（A）3D打印制备的材料的照片；

（B）纯TCP及Mn（2.5，5，10）-TCP支架的抗压性及多孔性的比较，Mn²⁺的掺杂增大了材料的抗压性能；

（C）纯TCP及Mn（2.5，5，10）-TCP支架材料在pH=7.4的Tris-HCl溶液中的降解行为；

（D）在Tris-HCl溶液中每个时间点Mn²⁺从支架材料中释放的速率。

图4：Mn²⁺对软骨细胞相关基因表达的影响

（A-D）兔软骨细胞与过量的不同Mn掺杂量的TCP一起培养7天后相对基因表达情况，其中：

（A）COL II 基因；

（B）聚集蛋白聚糖基因；

（C）SOX9基因；

（D）N-cadh基因.。

（E-H）兔骨髓间充质干细胞（rBMSCs）与过量的不同Mn掺杂量的TCP一起培养7天后相对基因表达情况，其中：

（E）COL I基因；

（F）BMP2基因；

（G）OPN基因；

（H）RUNX2基因。

图5：不同Mn掺杂量的TCP提取物培养rBMSCs14天，碱性磷酸酶（ALP）活性和茜红素分析

（A）APL活性额变化；

（B）相应的APL染色图片；

（C）茜素红定量分析；

（D）相应的茜素红染色图片。

图6：Mn-TCP对细胞增殖及形状的影响

（A）分别在纯TCPP及Mn（2.5，5，10）-TCP支架上培养的兔软骨细胞的增殖情况对比；

（B）在TCP及10 Mn-TCP支架上接种1天的软骨细胞的SEM图片，以及接种1天和7天后的CLSM图片；

（C）分别在纯TCP及Mn（2.5，5，10）-TCP支架上培养的rBMSCs的增殖情况对比；

（D）在TCP及10 Mn-TCP支架上接种1天的rBMSCs的SEM图片，以及接种1天和7天后的CLSM图片。

图7：单一Mn²⁺对细胞的影响

（A）不同浓度的Mn²⁺处理细胞14天后的碱性磷酸酶分析及染色图片；

（B）不同浓度的Mn²⁺处理细胞14天后的茜素红定量分析及染色图片。

图8：Mn²⁺对软骨细胞中HIF通路和自噬作用的影响

（A）不同浓度Mn²⁺处理的软骨细胞中HIF-α基因的表达情况；

（B）OA软骨细胞中，自噬相关基因MMP3的表达情况；

（C）OA软骨细胞中，自噬相关基因MMP13的表达情况；

（D）OA软骨细胞中，自噬相关基因Adamts 5的表达情况；

图9：Mn-TCP支架的体内修复作用探索

图中展示了四组样品术后8周及12周的照片和微CT图片

（A1）和（E1）：没有加支架的空白对照组，术后8周和12周的照片；

（B1）和（F1）：加上TCP支架，术后8周和12周的照片；

（C1）和（G1）：加上5 Mn-TCP支架，术后8周和12周的照片；

（D1）和（H1）：加上10 Mn-TCP支架，术后8周和12周的照片；

（A2-D2）和（E2-H2）：分别展示了以上四组实验术后8周和12周的二维投影图像；

（A3-D3）和（E3-H3）：分别展示了四组实验术后8周和12周的横向三维构建图；

（A4-D4）和（E4-H4）：分别展示了四组实验术后8周和12周的矢状面三维构图。

图10：Mn-TCP对于同时修复软骨和软骨下骨的能力

图中展示了四个不同的实验组（CRP，TCP，5 Mn-TCP，10 Mn-TCP）处理的样品，在术后8周及12周后组织切片染色的图片。

（A1–3）、（E1–3）、（I）和（L）： CTR 组；

（B1–3）、（F1–3）、（J）和（N）：TCP 组；

（C1–3）、（G1–3）、（K）和（O）：5 Mn-TCP组

（D1–3）、（H1–3）、（L）和（P）：10 Mn-TCP组

（I-L）：术后8周，茜素红染色的图片；

（M-P）：术后12周，茜素红染色的图片。

【小结】

研究成功地通过3D打印制备出了不同Mn²⁺掺杂量的磷酸三钙生物陶瓷支架，该材料同时具有Mn²⁺和磷酸三钙支架的双重优点，可以同时兼顾软骨和软骨下骨的再生，为治疗骨关节炎提供了一种可行的策略。

文献链接：3D Printing of Bilineage Constructive Biomaterials for Bone and Cartilage Regeneration（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201703117）

本文由材料人编辑部王静文编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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