四川大学:负载MOF的3D打印多孔复合支架用于骨缺损修复

3D打印科研前沿
2020
12/30
10:30
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来源:EngineeringForLife

金属-有机骨架(metal-organic framework,MOF)作为一种新型多孔材料被广泛应用于催化、药物缓释、基因治疗、能源储存等方面,也为骨组织工程领域提供了新的思路及方向。3D打印支架是一种较为常见的人工骨替代材料,然而,负载MOF的3D打印支架的成骨性能仍有待研究。近期,四川大学的万乾炳、王剑教授团队于Nanoscale杂志上发表了题为“3D printing of metal–organic framework incorporated porous scaffolds to promote osteogenic differentiation and bone regeneration”的文章,制备了负载纳米级ZIF-8(一种MOF材料)的3D打印多孔复合支架,研究了复合支架的机械性能、生物相容性及体内外成骨性能,证明了其用于骨缺损修复的可行性。
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课题组前期研究结果显示,ZIF-8具有优良的体内外成骨、成血管性能,及抗菌作用;纳米级ZIF-8相较微米级ZIF-8具有更低的细胞毒性及成骨性能。本研究利用EFL团队研发的挤出式3D打印机(EFL-BP-6601)制备负载纳米级ZIF-8的多孔复合支架,并探究其体内外成骨性能。图一显示,合成的ZIF-8粒度达到纳米级;ZIF-8及复合支架的XRD结果均与其特征峰一致;热重结果表明复合支架中有机物PCL与磷酸钙陶瓷DCPD比例约为4:1,有利于支架稳定降解;复合支架还具有Ca及Zn缓释效果。
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图1 纳米级ZIF-8及3D打印多孔支架的材料表征

图二显示,三组支架具有一致的均一结构:约为450μm的孔径和70%的孔隙率,既往研究表明其有利于早期血管长入和新骨形成;支架的粗糙表面有利于细胞粘附,为后期的成骨向分化提供条件;适宜的机械强度还保证了复合支架可以承担一定的应力,维持骨缺损处环境的稳定。

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图2 3D打印多孔支架的表面形貌和机械性能

图三显示,骨髓间充质干细胞(BMSC)在支架表面粘附,充分伸展呈梭形;3D支架结构具有更大的比表面积,细胞分布于支架纤维表面及孔内壁;支架表面的细胞表现了较高的增殖率及较低的凋亡率,显示其具有良好的生物相容性。

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图3 3D打印支架的生物相容性

作者进一步研究了复合支架的体外成骨性能,图四结果显示,负载纳米级ZIF-8的复合支架显著上调了骨髓间充质干细胞成骨相关基因及蛋白的表达,同时促进了细胞外基质的矿化。

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图4 3D打印多孔支架的体外成骨性能

作者构建了兔颅骨极限缺损模型,植入复合支架,12周后取材观察。Micro-CT的重建结果(图五)较为直观地显示了新骨形成量,负载纳米级ZIF-8的复合支架的孔隙内有大量新骨形成。组织学研究结果(图六)显示,空白对照组仅有缺损周围有极少量新骨形成,多为纤维组织包裹。复合支架各孔隙内及支架表面可见骨钙蛋白表达阳性的成骨细胞,支架表面有大量新骨形成外,可见血管结构生成。

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图5,6 3D打印多孔支架的体内成骨性能

综上,通过挤出式3D打印技术制备的负载纳米级ZIF-8的多孔复合支架,具有适宜的机械性能、良好的生物相容性,及优良的体内外成骨性能,在骨组织工程领域具有广阔潜力。

论文链接:
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/nr/d0nr06297a

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