上海交大周广东团队:骨再生单元复合脱钙骨框架材料修复大体积骨缺损

3D打印生物医疗
2021
12/23
15:55
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临床上,对于外伤性、退行性疾病或肿瘤切除后导致的大体积骨缺损的生理性修复一直是重大的挑战,这不仅要求植入材料能够充分填充大体积骨缺损区域,而且更重要的是需要恢复受损部位正常的生理功能。最新研究成果表明,基于组织工程原理构建的、具有生物活性的组织工程骨对于骨缺损的生理功能重建具备独特的优势,临床治疗效果甚至优于自体骨组织。虽然,脱钙骨基质(DBM)因其固有的骨仿生结构、矿化成分、生物相容性和成骨活性,被认为是临床上理想的骨再生材料,但是仍然面临细胞负载率低和成骨诱导活性成分损失等问题,严重制约了组织工程骨的临床转化。

近期,上海交通大学医学院附属第九人民医院、上海市组织工程重点实验室、组织工程国家工程研究中心周广东团队,提出了一种骨再生单元复合脱钙骨框架材料构建组织工程骨及大体积骨缺损修复的新策略。研究者首先通过微流控技术制备具有成骨微环境仿生的光交联甲基丙烯酸酯明胶/透明质酸(GelMA/HAMA)微凝胶(如图1),然后接种骨髓间充质干细胞(BMSCs)并进行成骨诱导培养构建骨再生单元(BRUs):1)BRUs可以直接注射至裸鼠皮下实现异位成骨(即“可注射骨”);2)BRUs也可以复合DBM框架材料构建具有三维形态的组织工程骨,并成功修复了兔子胫骨缺损。相关研究论文:“Large-sized bone defect repair by combining a decalcified bone matrix framework and bone regeneration units based on photo-crosslinkable osteogenic microgels”发表于杂志Bioactive Materials(IF=14.593)上。
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图1 骨再生单元复合脱钙骨框架材料修复胫骨缺损策略的示意图

1. 成骨微环境仿生光交联微凝胶的理化性能表征
研究者利用微流控技术对负载成骨活性成分DBM微粒和血管化生长因子VEGF的凝胶液体进行光聚合制备GelMA/HAMA水凝胶微球(VDGH),成功构建了具有成骨微环境仿生功能的微凝胶。实验结果表明,VDGH微凝胶的理化性质能够通过微流控和光交联技术的结合可控调节,例如微球尺寸、均一度、力学强度、活性因子释放和生物降解性等(如图2)。

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图2 成骨微环境仿生光交联微凝胶的理化性能表征

2. 骨再生单元构建及生物学评价
研究者首先优化了骨再生单元构建的接种条件,并确认了60 mil/mL的 BMSCs接种于300 μm微凝胶能够获得最佳的细胞接种效率和增殖效果。然后,实验通过活/死细胞染色和鬼笔环肽染色表征了BMSCs接种于VDGH微凝胶培养1,4,7和14天后的细胞铺展、增殖、和细胞外基质分泌情况(如图3)。接着,经过成骨诱导培养14天后,接种干细胞的VDGH微凝胶逐渐形成了成骨基因和蛋白表达相对成熟的骨再生单元(如图4)。

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图3 骨再生单元的生物学评价

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图4 体外成骨诱导分化评价

3. 可注射骨构建及生物学评价
研究者将上述方式构建的BRUs注射至裸鼠皮下,并系统地进行了DNA含量、力学性能、湿重、体积、Micro-CT和组织学评价。实验结果证实,体内植入8周后BRUs能够再生成熟的骨组织,包括大量的骨特异性ECM沉积、清晰的骨小梁结构和丰富的血管长入(如图5)。BRUs稳定的骨再生潜力可能归因于以下优势:1)微凝胶表面粘附的BMSCs具有足够的机会接触成骨诱导信号,以便于实现细胞-细胞和细胞-ECM的相互作用,大大加快了BMSCs的成骨诱导分化;2)相比于整块水凝胶而言,微凝胶之间的大孔结构保证了营养物质的充分渗透和运输;3)微凝胶的间隙以及促血管生成的仿生微环境(VEGF缓释)有利于血管长入,从而促进再生骨组织的血管化。因此,具有良好可注射性和骨再生潜力的BRUs,将为骨缺损的微创治疗提供潜在的应用前景。

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图5 体内可注射骨构建及生物学评价

4. 三维形态的组织工程骨构建及胫骨缺损修复评价
研究者将BRUs复合DBM框架材料植入裸鼠皮下,并成功再生了具有三维形态的组织工程骨(如图6)。这一策略不仅克服了可注射BRUs在三维形态控制和力学维持上的缺陷,也有效解决了DBM支架材料在细胞接种率低和成骨仿生微环境缺失等方面的问题。最后,具有三维形态的组织工程骨成功修复了兔子15 mm长的胫骨缺损(如图7)。实验结果表明,理想的骨修复效果归功于充足的细胞接种量,BRUs提供的成骨和血管化仿生微环境,以及激活内源性BMSC归巢。总之,当前的研究创新性地开发了一种理想的骨仿生微载体,这将为骨再生和大体积骨缺损修复提供一种崭新的策略。

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图6 三维形态的组织工程骨构建及生物学评价
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图7 三维形态的组织工程骨应用于兔子胫骨缺损修复

本论文第一作者:郝俊祥、白宝帅、慈政;通讯作者:任文杰、华宇杰、周广东。该工作得到了新乡医学院任文杰教授团队的共同合作完成,材料学表征得到了上海交大朱麟勇教授团队的大力支持。此外,该工作还得到了国家重大研发计划(2017YFC1103900)、国家自然科学基金(81871502,81701843和81671837)等项目支持。

文章来源:
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.12.013


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