圖片摘要

成果簡(jiǎn)介

近日，山東大學(xué)海洋學(xué)院陳景帝教授團(tuán)隊(duì)在先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊 Advanced Composites and Hybrid Materials （ IF = 20.1/Q1 區(qū) TOP ）上發(fā)表了題為 “Biologically enhanced 3D printed micro-nano hybrid scaffolds doped with abalone shell for bone regeneration” 的研究論文。文中利用 3D 打印技術(shù)成功構(gòu)建了一種生物增強(qiáng)的微納雜化復(fù)合支架材料，將具有豐富的鈣源和生物活性物質(zhì)的鮑魚殼資源應(yīng)用于骨修復(fù)，全面增強(qiáng)了骨再生植入物中材料的骨誘導(dǎo)和再礦化性能。不僅提供了潛在的低成本高性能骨修復(fù)材料，為骨組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)新的希望，同時(shí)也具備改善環(huán)境污染的潛力。團(tuán)隊(duì)在研發(fā)中積極尋求新的資源利用途徑，為患者帶來(lái)福音，為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展注入新動(dòng)力。這種醫(yī)學(xué)與材料科學(xué)的融合意味著在創(chuàng)新和應(yīng)用中，將以海洋貝殼這一豐富資源為基礎(chǔ)，為人類的健康問(wèn)題探索更廣闊的解決方案 。

近年來(lái)，隨著貝類工廠化養(yǎng)殖和加工的快速發(fā)展，每年產(chǎn)生大量的貝殼。然而，由于缺乏技術(shù)應(yīng)用，絕大多數(shù)貝殼被丟棄，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。鮑魚殼（ Aba ）具有獨(dú)特的多層次結(jié)構(gòu)和含有豐富的鈣源、有機(jī)物質(zhì)和微量元素，使其具備優(yōu)異的生物活性和成骨誘導(dǎo)特性。尤其鮑魚殼顆?？梢宰鳛榱u基磷灰石的前體，在復(fù)合支架中促進(jìn)表面礦化，為干細(xì)胞和活性因子的遷移提供適宜的微環(huán)境。然而，由于顆粒的加入，傳統(tǒng)支架的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)很難精確控制，導(dǎo)致無(wú)法與細(xì)胞大小完美匹配。為了克服這一問(wèn)題，本研究利用 3D 打印技術(shù)將鮑魚殼顆粒與具有良好韌性和加工性的聚己內(nèi)酯（ PCL ）等有機(jī)材料相結(jié)合，形成復(fù)合支架，用于骨修復(fù)和再生。通過(guò) 3D 打印技術(shù)，研究人員可以精確控制支架的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，提高其與細(xì)胞的匹配性，從而增強(qiáng)骨組織再生的效果。這種一體化的鮑魚殼 /PCL 復(fù)合支架不僅可以充分利用廢棄資源，減少環(huán)境污染，而且具有良好的生物活性和優(yōu)異的性能。因此，它為未來(lái)骨骼修復(fù)材料提供了一種具有潛力的選擇，有望在臨床應(yīng)用中發(fā)揮重要作用 。

圖文導(dǎo)讀

3D 打印支架表面性質(zhì)

掃描電子顯微鏡圖像 （圖 1A ）表明， Aba/PCL 復(fù)合支架具有完整且相對(duì)均勻的支架結(jié)構(gòu)。內(nèi)部縫隙相互穿透，孔洞間距比較均勻，說(shuō)明 Aba 顆粒的引入并沒(méi)有破壞支架的整體結(jié)構(gòu)。并且隨著 Aba 顆粒含量的增加，顆粒逐漸暴露在支架表面。結(jié)構(gòu)的隆起和凹陷日益明顯，表面呈現(xiàn)出由光滑到粗糙的趨勢(shì)。值得注意的是，復(fù)合支架的孔隙率并沒(méi)有因?yàn)?Aba 顆粒的引入而顯著降低，這完全滿足骨組織工程支架的標(biāo)準(zhǔn)（ 35~75% ）（圖 1E ）。此外，隨著降解時(shí)間的延長(zhǎng)和 Aba 顆粒含量的增加，復(fù)合支架的降解率逐漸增加， 4 周內(nèi)降解率達(dá)到 Aba/PCL-1 的 7.5% （圖 1F ）。綜合以上觀察結(jié)果， Aba/PCL 復(fù)合支架在結(jié)構(gòu)完整性和孔隙率方面表現(xiàn)出色，同時(shí)具有適當(dāng)?shù)慕到庑阅埽@使其成為具有潛力的骨組織工程支架材料 。

3D 打印支架的力學(xué)性能分析

從應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線可以看出，復(fù)合材料支架先發(fā)生彈性變形，再發(fā)生塑性變形，最后達(dá)到變形極限（圖 2A-B ）。 Aba/PCL-3 支架在 0.5~5.45% 應(yīng)變范圍內(nèi)具有最大的抗壓強(qiáng)度（ 1.34 MPa ）和壓縮模量（ 1.89 MPa ），這表明適當(dāng)?shù)?Aba 顆粒含量提高了支架的機(jī)械強(qiáng)度（圖 2C-D ）。過(guò)量的 Aba 顆粒由于在支架中的分布不均勻，容易引起應(yīng)力集中，從而進(jìn)一步降低了支架的抗壓強(qiáng)度。然而， PCL 支架的力學(xué)性能相對(duì)較差。由于 PCL 具有良好的韌性，當(dāng)受到軸向壓力時(shí)，它們會(huì)發(fā)生較大的變形以抵抗外力。填充材料良好的礦化對(duì)顱骨缺損的修復(fù)具有積極作用，植入后可誘導(dǎo)材料表面礦化形成類似于天然骨組織無(wú)機(jī)基質(zhì)的 nHAP 納米晶。這加速了材料和組織之間的相互融合，進(jìn)一步促進(jìn)了骨再生 。

3D 打印支架的生物礦化

SEM 圖像（圖 3A ）顯示，在 SBF 溶液中礦化 4 周后， nHAP 沉積在支架表面，并且其沉積量與 Aba 顆粒的含量呈正相關(guān)。相較于純 PCL 支架，表面粗糙的 Aba/PCL 復(fù)合支架具有更大的比表面積和表面溶解度，從而提高了支架表面磷酸鹽和鈣離子的局部濃度，有利于達(dá)到成核閾值。此外， Aba 顆粒作為晶核點(diǎn)誘導(dǎo)了 nHAP 晶體的形成，隨著 Aba 顆粒含量的增加，支架上形成了更多的晶體。為驗(yàn)證所形成的晶體為 nHAP ，對(duì) 3D 打印支架表面進(jìn)行了 EDS 點(diǎn)掃描（圖 3B ），結(jié)果顯示在 ABA/PCL-1 支架的 EDS 圖中觀察到了元素 Ca 和 P ，證實(shí)表面形成的微米級(jí)和納米級(jí)粒子為 nHAP 晶體 。

材料植入體內(nèi)后，由于材料的礦化作用，組織缺損處的生理微環(huán)境發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。因此，連續(xù)檢測(cè)支架礦化過(guò)程中 SBF 液體的 pH 值變化尤為重要（圖 3D ）。 SBF 的 pH 值在前 3 天呈下降趨勢(shì)。這主要?dú)w因于 nHAP 晶體的逐漸形成，它消耗了溶液中的 OH? ，并顯著降低了溶液的 pH 值。隨后，由于材料表面的礦化， Aba/PCL-3 和 PCL 基團(tuán)的 pH 值繼續(xù)下降。而 Aba/PCL-1 和 Aba/PCL-2 組則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，這是因?yàn)?Aba 大顆粒的溶解增加了 pH 值。值得注意的是， SBF 溶液的 pH 值在 28 天后保持在 6.95 左右，沒(méi)有明顯的波動(dòng)，這表明 Aba/PCL 組有利于組織缺損處中性微環(huán)境的穩(wěn)定，有利于細(xì)胞的生長(zhǎng)。此外，支架植入后，體液始終循環(huán)，改善了骨缺損處的生理微環(huán)境，進(jìn)一步促進(jìn)了組織修復(fù)和再生。

3D 打印支架促進(jìn)體內(nèi)骨再生

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)復(fù)合支架對(duì) SD 大鼠顱骨缺損模型的體內(nèi)修復(fù)效果，植入 2 個(gè)月和 3 個(gè)月后通過(guò) Micro-CT 重建骨組織結(jié)構(gòu)并進(jìn)行分析（圖 4A ）。各組修復(fù)效果隨時(shí)間延長(zhǎng)而增強(qiáng)，且實(shí)驗(yàn)組優(yōu)于空白對(duì)照組。體表和矢狀面顯示，術(shù)后 2 個(gè)月，實(shí)驗(yàn)組新骨向內(nèi)延伸大于對(duì)照組，缺損中心區(qū)附近有少量新骨形成。術(shù)后 3 個(gè)月，各組修復(fù)效果進(jìn)一步加強(qiáng)，缺損部位逐漸被新骨替代，缺損面積明顯縮小。然而，仍然需要修復(fù)缺陷邊緣的一些區(qū)域。在矢狀面上，觀察到大部分新骨從缺損邊緣向內(nèi)延伸進(jìn)行修復(fù)，實(shí)驗(yàn)組新骨向內(nèi)生長(zhǎng)速度大于對(duì)照組。這主要?dú)w因于具有三維多孔結(jié)構(gòu)的支架有利于細(xì)胞在植入后的粘附和生長(zhǎng)。更有趣的是， Aba/PCL-3 組的缺損部位的損傷間隙最小，并且有更多的新骨生長(zhǎng)。這歸因于 Aba 顆粒改善了 PCL 的生物活性，這有助于細(xì)胞粘附和礦化物質(zhì)再生 nHAP 。

此外，對(duì)骨密度（ BMD ）、新骨體積與組織體積之比（ BV/TV ）、局部小梁數(shù)量（ Tb.n ）和骨小梁厚度（ Tb.Th ）進(jìn)行測(cè)量，以定量驗(yàn)證植入后 2 個(gè)月和 3 個(gè)月顱骨缺損的修復(fù)情況（圖 4B–E ）。其中， Aba/PCL-1 組的 Th 分別為 0.581 g/cm ³ 、 54.57% 、 1.612mm ^-1 和 0.496 mm ，高于 PCL 組的 0.442 g/cm ³ 、 37.87% 、 0.981mm ^-1 和 0.398 mm ，以及空白對(duì)照組的 0.332 g/cm ³ 、 28.98% 、 0.787mm ^-1 和 0.346 mm 。這些結(jié)果表明，支架的植入為骨細(xì)胞的遷移和增殖提供了場(chǎng)所，并使細(xì)胞在支架表面生長(zhǎng)和分化。因此，定量分析和測(cè)試結(jié)果表明， Aba 顆粒的引入促進(jìn)了材料礦化，提高了單一有機(jī)聚合物的修復(fù)性能，使復(fù)合支架對(duì)骨缺損的修復(fù)具有良好的效果 。

往期推薦