鑽石舞台

大型骨缺損通常是創傷、腫瘤(骨肉瘤)或先天性疾病的後遺症，雖然自體骨移植是修復的黃金標準，但骨供體稀缺、手術時間長和費用高等缺點顯著。為了應對這些挑戰，開發滿足承重要求、臨界骨缺損修復的新型鈦基支架至關重要。最近來自廣東省人民醫院的張余教授團隊從天然骨組織的微觀結構和力學性能出發，研製了一種用於骨缺損修復的雙仿生Ti-6Al-4V合金(TC4)/甲基丙烯酸明膠(GelMA)雜化支架，具有很好的促血管生成和增強成骨的能力，為大段骨缺損的修復提供了新的思路。

首先，研究者使用3D打印「硬質的」TC4金屬支架(PT)，並進一步將一種「柔軟」的GelMA水凝膠填充並錨定在PT中，以模擬骨細胞外基質(ECM)（Fig.1）。

研究者以甲基丙烯酸-3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯(TMSPMA)為連接劑，將GelMA水凝膠固定在三維打印的PT表面。首先將鈦支架改性為Ti-OH，然後浸泡在TMSPMA溶液中得到Ti-TMSPMA，通過光交聯反應將GelMA水凝膠聚合物接枝到Ti-TMSPMA表面。對照組將GelMA水凝膠以物理方式進入PT孔內，不進行化學粘結。此外，EDS譜表明，GelMA-PT支架主要由Ti、Al、V、C、O和N組成，包含了GelMA的元素。研究者發現化學結合的PT-GelMA-PT的水凝膠與PT之間的界面結合強度大約是物理連接的三倍。掃描電子顯微鏡(SEM)觀察發現化學結合的水凝膠緊密地附着在支架的表面。相反，在物理連接的水凝膠和支架之間可以觀察到明顯的間隙（Fig. 2）。

研究者通過活/死染色實驗證明了GMPT和PT支架具有較好的細胞相容性。特別是，GelMA濃度為10%的GMPT表現出最好的細胞活力。同時，FITC-Palloidin染色顯示，10%GMPT支架的BMSCs最多，表明其具有最好的細胞黏附性能。採用掃描電鏡觀察發現10%GMPT組的BMSCs比其他組別有更多的板狀偽足的伸展。CCK-8結果表明在前5天，10%GMPT組的BMSCs數量明顯增加，但在第7天，各組間無顯著差異。

研究者進一步觀察到10%GMPT組培養的人臍靜脈內皮細胞比其他組的管狀結構網絡更長，10%GMPT和15%GMPT組比5%GMPT組和PT組形成更多的血管節段。在第3天和第10天，早期血管生成標誌物VEGF的表達在GMPT組顯著高於PT組，並且在10%GMPT組的表達最高。此外，跟血管生成相關的HIF-α、KDR和Smad-1等基因在10%GMPT組中的表達量最高。

Van Gieson染色結果可以幫助組織學分析GMPT支架的骨整合和血管生成效應。4周時，各組均未見新生骨形成，但GMPT支架周圍可見較多的骨小梁，其中以10%GMPT組最為明顯；12周時，支架周圍有更多新骨形成，骨小梁變得規則、增厚，其中10%GMPT組的新骨形成最多。

研究者還進行了CD31（內皮細胞的生物標誌物）免疫熒光染色，以分析支架的血管生成情況。圖中黃色箭頭表示新形成的血管，與PT組相比，GMPT組形成的血管明顯增多，10%GMPT組表達最集中，表明血管形成最成熟。

綜上所述，研究者開發了一種仿生TC4/GelMA雜化支架，3D打印的「硬的」PT主幹被「軟的」GelMA水凝膠化學功能化，以模擬天然骨組織的異質微結構和力學性能，用於修復大型骨缺損。結果表明，具有合適硬度的生物活性軟表面對於硬質合金種植體的改性以實現更好的骨整合是至關重要的，這為下一代大型骨缺損種植體的設計拓寬了視野。

本研究由廣東省人民醫院的張余教授團隊完成，並於2021年10月發表於Bioactive Materials。

論文信息：Limin Ma, Xiaolan Wang, Ye Zhou, Xiongfa Ji, Shi Cheng, Dong Bian, Lei Fan, Lei Zhou, Chengyun Ning, Yu Zhang. Biomimetic Ti–6Al–4V alloy/gelatin methacrylate hybrid scaffold with enhanced osteogenic and angiogenic capabilities for large bone defect restoration. Bioactive Materials 2021,6(10): 3437-3448.

供稿：柳承源

審校：朱彩虹

編輯：劉長江