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3D打印生物陶瓷支架表面微納米結構調控骨-軟骨一體化修復新進展

發表于:2019-01-16

骨-軟骨缺損是由于軟骨和軟骨下骨具有不同的生理功能和微結構,因而骨-軟骨及其界面一體化修復極具挑戰。


中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領的研究團隊在前期研究中,提出了利用多種無機活性離子的共同作用誘導骨-軟骨一體化修復的思想,并設計了一系列不同組成成分的(Li,Mn,Sr,Si離子等)3D打印生物陶瓷支架,并有效地對兔子骨-軟骨缺損進行一體化修復。


在此研究基礎上,最近該團隊提出利用3D打印生物陶瓷支架表面微結構調控骨-軟骨及其界面一體化修復的思想,并取得新進展。該研究成果被《先進功能材料》(Advanced Functional Materials,201806068R1)雜志接收。 


圖片1.png


具有表面微結構的3D打印生物陶瓷支架通過激活整合素及RhoA信號通路促進骨-軟骨及其界面修復。


該團隊利用3D打印和原位生長相結合的方式,制備了有序大孔結構生物陶瓷的支架,并在支架表面原位生長微米/納米磷酸鈣晶體。這種制備方式使不同形貌的磷酸鈣晶體能穩定生長在陶瓷支架表面,而且能有效愈合支架表面的微裂紋,顯著增強了支架的力學強度。體外研究結果表明,支架表面微納米結構顯著提高了纖連蛋白的吸附,并進一步促進軟骨細胞黏附、增殖和成熟。 


圖片2.png


3D打印具有表面微結構的生物陶瓷多孔支架。純BRT支架與不同表面微結構修飾的復合支架Nanograin,Nano-lamella及Microrod的形貌。


此外,該研究首次發現生物陶瓷表面微結構對軟骨細胞整合素α5β1、αvβ1有激活作用。其潛在作用機制如下:首先,生物陶瓷支架表面微結構從周圍環境募集纖連蛋白,然后支架表面的纖連蛋白被細胞攝取并將其整合到整合素α和β亞基上,進而促進整合素表達及聚集。


隨后,活化的整合素誘導F-Actin重組,并進一步促進軟骨特異性基因(SOX9, Aggrecan,COL2及N-cadh)表達,進而促進軟骨成熟。生物陶瓷表面微結構除了對軟骨細胞有促進作用,同時對骨髓間充質干細胞(rBMSC)的成骨分化也有誘導作用。


研究結果表明,生物陶瓷支架表面微結構顯著增強rBMSC的早期黏附和增殖行為,隨后陶瓷支架表面微結構通過激活rBMSC整合素α5β1及RhoA信號通路,并協同誘導F-Actin有序重組,進而促進rBMSC成骨分化。體內研究結果顯示,支架表面微納米結構不僅能有效促進骨-軟骨組織一體化修復,并且成功地將修復效果延伸至極其復雜的骨和軟骨界面。該研究為無機材料應用于骨-軟骨修復領域提供了可行性依據,同時為生物陶瓷表面微結構應用于骨-軟骨及其界面的修復提供了新的研究思路。



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