《AFM》:3D打印纳米羟基磷灰石基梯度水凝胶有效修复大鼠骨软骨缺损

近日,兰州大学口腔医学院范增杰教授团队联合美国康涅狄格大学化学与生物分子工程系孙陆逸教授团队,在国际前沿期刊Advanced Functional Materials(IF=16.836,JCR一区)上发表了题为“3D Printing Hydrogel Scaffoldswith Nano-hydroxyapatite Gradient to Effectively Repair Osteochondral Defectsin Rats”的研究论文,首次设计并成功制备了一种具有三层结构的梯度支架,能够精确地模仿软骨、钙化软骨和软骨下骨的结构,推动了水凝胶支架在骨软骨组织工程领域的应用。论文第一单位为兰州大学,该论文的第一通讯作者为兰大口腔医学院范增杰教授,第一作者为其2018级学术型研究生张慧

《AFM》:3D打印纳米羟基磷灰石基梯度水凝胶有效修复大鼠骨软骨缺损

图1. 3D打印梯度支架修复大鼠骨软骨缺损的流程图。(A)电子喷雾装置。(a-c)分别为“0% nHA”、“40%  nHA”和“70% nHA”墨水。(i)-(iii):骨软骨区的浅层(软骨)、中层(钙化软骨)和深层(软骨下骨)。( SA:海藻酸钠; CA:海藻酸钙;  AM:丙烯酰胺; PAM:聚丙烯酰胺)。

支架作为组织工程的核心组成部分,对骨软骨再生有着至关重要的影响。水凝胶和纳米羟基磷灰石,是骨软骨再生的理想仿生支架来源。然而,即使在3D打印技术的支持下,如何精确地控制其结构使其适合骨软骨再生仍是一个巨大的挑战。本研究制备了由软骨层(纯水凝胶)、模拟钙化软骨的界面层(40/60%(w w-1)nHA/水凝胶)和模拟软骨下骨层的70/30%(w w-1)nHA/水凝胶底层组成的三维支架,该支架具有三层梯度结构,能够精确地与软骨、钙化软骨和软骨下骨的生物医学功能相匹配。

支架的制备过程见图2。该过程可分为三个主要步骤:(1) 三种水凝胶墨水的制备;(2) 3D打印墨水;(3) 先后进行光交联和Ca2+交联。最重要的技术创新在于应用电子喷涂装置来控制Ca2+的缓慢释放以防止海藻酸钙的快速形成,这使得70/30%(w w-1)nHA/水凝胶层的打印成为可能。

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图2. (A)-(C) 分别为“0% nHA”、“40% nHA”和“70% nHA”水凝胶支架材料的合成步骤。

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图3. 各种3D打印支架的照片。(A)从左至右分别为“0% nHA”、“40% nHA”、“70% nHA” (用罗丹明染成红色) 和“G-nHA”。(B) 3D打印人工半月板的模型: “0% nHA”(a)、 “40% nHA”(b)、“70% nHA”(c)和“G-nHA凝胶(d); (e&f)分别为浸泡在CaCl2溶液前后的图片。(C)进行拉伸测试的水凝胶支架: “0% nHA”(a)、“40% nHA”(b)、“70% nHA”(C)和“G-nHA”(d)的俯视图,以及(e) “G-nHA”支架的侧视图。

通过3D打印后,支架不仅保持了原有的外形特征(图3),而且具有多孔结构和较高的机械强度(图4)。通过扫描电镜观察到,支架表面呈现出不同的孔隙结构,孔径随着nHA的填充密度的增加而显著减小;梯度支架的孔径在100–800 nm范围内,既能促进细胞的活性,又能促进ECM的分泌,有利于对骨软骨组织的重建。力学测试表明,梯度支架组拉伸强度为75KPa,压缩强度达到了900KPa。这些结果表明,这种新的研究方法适合于制造具有精确、复杂和明确外形的天然支架。

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图4. 不同nHA/水凝胶质量比的支架材料的表征。A) FTIR光谱;B)XRD图谱;C)SEM图像;D)和E)不同支架的拉伸和压缩强度。

体内骨软骨组织的再生,是预测临床可行性应用最重要的证据。将不含有细胞和载有细胞的支架分别植入大鼠体内,在6和12周的时间点分别评估体内骨软骨再生的可行性(图5和6)。体内大体观、微CT扫描及组织学检查显示软骨样组织稳定再生,未见明显炎症反应,且载细胞的“G-nHA”组表现出最佳的修复效果:再生的骨软骨样组织较成熟,软骨层具有典型的软骨陷窝和软骨沉积,预示了其在临床应用中的潜力。

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图5. 大鼠6周和12周后的骨软骨再生的大体观和微CT扫描图像。(红色矩形表示缺陷区域;白色箭头表示未完全降解的支架和骨样组织的混合物)

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图 6. 大鼠骨软骨再生的染色分析。(A-G)分别为对照组、BMSCs组、“G-nHA”组、“0% nHA+BMSCs”组、“40% nHA+BMSCs”组、“70% nHA+BMSCs”组、“G-NHA+BMSCs”组。(红色箭头:正常组织与再生组织的分界; 黑色箭头:降解支架留下的缺损区域)

综上所述,作者通过物理交联、光交联和化学交联三种交联方法制备出具有精确外部三维形状(半月板)和良好内部孔结构的双网络水凝胶支架。在对其进行体内和体外的一系列测试后,论文证实该支架具有理想的尺寸稳定性、多孔的内部结构、显著的力学性能、合适的溶胀和降解性能以及获得了最佳的体内修复效果,本研究为基于高分子聚合物的多孔支架的制备提供了一系列策略,并为骨软骨再生提供了一种新型的天然生物降解支架。

全文链接:

https://doi.org/10.1002/adfm.202006697

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