科學(xué)島團(tuán)隊(duì)在3D生物打印組織工程研究方面取得新進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院強(qiáng)磁場(chǎng)中心王俊峰研究員團(tuán)隊(duì)在開發(fā)新型3D生物打印復(fù)合材料用于組織工程修復(fù)領(lǐng)域取得了系列研究進(jìn)展，相關(guān)研究發(fā)表在國(guó)際期刊Materials&Design和International Journal of Biological Macromolecules。

3D生物打印技術(shù)，作為前沿的生物制造技術(shù)，通過使用活細(xì)胞、支架材料、生長(zhǎng)因子等生物活性物質(zhì)來構(gòu)建復(fù)雜的生物組織，模仿天然組織的功能和形態(tài)。這項(xiàng)技術(shù)在生物組織修復(fù)中具有眾多優(yōu)勢(shì)。首先，它能根據(jù)患者需求制造個(gè)性化組織或器官，適用于復(fù)雜損傷的修復(fù)；其次，它可使用患者自身細(xì)胞打印與其基因匹配的組織，減少免疫排斥；此外它還能再生復(fù)雜組織，如血管化組織和神經(jīng)組織。

目前常用的3D生物打印材料包括用于硬組織修復(fù)的聚己內(nèi)酯（PCL）和聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA），以及用于軟組織修復(fù)的水凝膠（如明膠、海藻酸鹽、透明質(zhì)酸）。盡管3D生物打印技術(shù)潛力巨大，但材料選擇與優(yōu)化始終是制約3D生物打印技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，特別是材料的生物相容性、機(jī)械性能、可降解性和打印精細(xì)度等特性。

生物硼基玻璃（BBG）是一種生物活性材料，在骨組織修復(fù)和再生醫(yī)學(xué)中已有廣泛應(yīng)用。生物玻璃能夠與人體組織和細(xì)胞良好相容，能夠被機(jī)體識(shí)別并促進(jìn)組織的整合。生物玻璃在接觸體液時(shí)能夠形成一層羥基磷灰石（HA）表面，這種層能夠促進(jìn)骨細(xì)胞的黏附和生長(zhǎng)，促進(jìn)骨組織的再生。生物玻璃的降解速度可以通過調(diào)控其化學(xué)成分來調(diào)整，以滿足不同組織的修復(fù)需求。合適的降解速度可以確保材料在組織再生過程中逐漸被體內(nèi)組織取代，而不會(huì)產(chǎn)生過快或過慢的降解。生物玻璃可以與其他材料（如聚合物、水凝膠）復(fù)合使用，形成具有高機(jī)械強(qiáng)度和良好加工性能的材料，在3D生物打印材料中的應(yīng)用展現(xiàn)出巨大潛力。

在骨組織修復(fù)中，研究團(tuán)隊(duì)利用BBG的獨(dú)特理化特性，結(jié)合生物支架體BCC單元設(shè)計(jì)了含有不同BBG含量（0%、5%、10%、20%和40%）的定制BBG/PCL復(fù)合材料，并通過選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)3D打印出高質(zhì)量的骨缺損修復(fù)支架。系統(tǒng)評(píng)估了這些BBG/PCL復(fù)合支架的孔隙幾何形狀、孔隙率、機(jī)械強(qiáng)度、親水性、蛋白質(zhì)吸附、降解行為、體外細(xì)胞相容性、成骨分化行為及體內(nèi)生物學(xué)性能，以用于大段骨缺損（CSBD）修復(fù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BBG的加入顯著改善了支架的綜合性能，包括適宜的孔隙率、機(jī)械強(qiáng)度、親水性、體外降解速率、細(xì)胞相容性、成骨分化能力及體內(nèi)成骨和血管生成的生物學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，20% BBG含量為材料性能的最佳配比，20BBG/PCL復(fù)合支架表現(xiàn)出68.5%的孔隙率、650微米的孔徑和0.860 MPa的壓縮強(qiáng)度。

在軟組織修復(fù)中，團(tuán)隊(duì)基于對(duì)BBG的特殊內(nèi)外生物礦化特性的深入研究，將BBG顆粒引入海藻酸鈉（SA）中，構(gòu)建了高精度3D打印的BBG-SA生物墨水。研究表明，BBG與SA結(jié)合后，能夠有效誘導(dǎo)降解并釋放Ca2?，啟動(dòng)SA的內(nèi)部凝膠化過程。同時(shí)，BBG作為填料解決了傳統(tǒng)使用氯化鈣（CaCl?）進(jìn)行外部交聯(lián)時(shí)造成的凝膠化不均勻和顯著收縮問題。通過擠出式3D打印技術(shù)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了含有不同BBG含量（0%、0.3%、0.5%、0.7%）的3D打印水凝膠復(fù)合支架，并系統(tǒng)評(píng)估了BBG-SA水凝膠的流變特性、打印精度和成型收縮情況。結(jié)果表明，添加BBG顯著改善了海藻酸鈉在3D打印中的低打印精度和成型收縮問題，其中0.5% BBG-SA配方表現(xiàn)出最佳的可打印性、打印精度和成型收縮，展示了在組織工程3D生物打印中的應(yīng)用潛力。這些新型生物墨水還展現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性，增強(qiáng)了MC3T3-E1細(xì)胞在支架表面的黏附和增殖，并促進(jìn)了軟組織相關(guān)基因和蛋白質(zhì)的表達(dá)。

圖1. 個(gè)性化BBG/PCL復(fù)合多孔支架SLS制備過程

圖2. 20BBG/PCL支架指引兔子橈骨大段骨缺損再生效果良好

圖3. 0.5% BBG-SA生物墨水表現(xiàn)出最佳的可打印性、打印精度和成型收縮為組織工程中的3D生物打印提供了一個(gè)有前景的平臺(tái)