3D打印皮质-松质一体化的功能化颌面骨
152 A Hierarchical 3D Graft Printed with Nanoink for Functional Craniofacial Bon.pdf
近年来，生物3D打印技术的兴起为个性化修复骨缺损提供了新思路。与长骨不同的是，颌骨的特殊解剖位置赋予其复杂的咀嚼功能，其高密度皮质骨结构能承受咀嚼应力，并将其传递至更广泛的松质骨，而密度较低的松质骨则能进一步的分散应力。因此，颌骨组织工程支架的设计不仅要考虑高效的骨诱导性能，还需恢复天然颌骨微结构以适应生理性咬合负荷。然而，目前的骨组织工程支架大多强调骨量的再生，而忽略了咀嚼功能相关的结构重建。
近日，浙江大学医学院附属口腔医院谢志坚教授团队与浙江大学化学系唐睿康教授团队、机械工程学院贺永教授团队合作，通过重建具有生理功能的颌骨组织，为以功能为导向的组织重建提供了新思路。相关研究“A Hierarchical 3D Graft Printed with Nanoink for Functional Craniofacial Bone Restoration”发表于《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202301099），浙江大学谢志坚教授、唐睿康教授与贺永教授为该论文的通讯作者，浙大附属口腔医院博士生史洋、主治医师石珏，浙大机械工程学院博士生孙元及浙大化学系刘琪琪硕士生为共一。
研究人员通过深入剖析颌骨组织与长骨组织在结构上的异同，明确颌骨在行使正常咀嚼功能过程中特殊的解剖基础，受到骨再生序列事件中化学及生物调控因素的启发，制备了一种新型功能化纳米墨水，并通过光固化3D打印技术制造了具有天然颌骨微结构的仿生骨支架，以该支架作为模板，新生骨组织在该模板上爬行替代，重建了能理想承受并分散咬合应力的颌骨组织，为恢复正常的咀嚼功能奠定了基础。
1. 仿生骨支架的构建和性能探索
从宏观角度看，颌骨拥有典型的皮质骨和松质骨结构，皮质骨含哈弗氏系统保证着血液营养供应，松质骨则为沿咬合力方向分布的网状结构，支撑并分散着咀嚼应力的同时，维持颌骨快速的代谢活动。从微观角度看，骨再生过程中涉及炎症阶段、骨形成阶段和骨矿化成熟阶段，其中间充质干细胞的有效成骨向分化和骨基质的快速矿化是最为核心的再生过程。因此，研究人员将骨形成蛋白和前期研发的纳米级磷酸钙加入到墨水中，通过静电作用和配位键的结合实现有机无机复合纳米墨水的构建，同时设计含有哈弗氏脉管系统的皮质骨和三周期最小曲面为基本结构单元的多孔状松质骨，利用高精度投影式光固化3D打印技术构建了仿生骨支架。得益于磷酸钙的纳米级尺寸，其打印性能和打印精度均优于含传统大尺寸无定型磷酸钙的墨水。
图1 仿生骨支架的构建和打印性能探索
2. 有机无机复合水凝胶的理化性能探索
磷酸钙的超小尺寸（≈ 1 nm）使得其能与主体墨水之间产生配位键，获得有机无机复合纳米墨水，扫描电子显微镜和元素分布图结果显示该有机无机复合水凝胶表面光滑，未出现明显的颗粒感，进一步证实有机墨水和无机磷酸钙之间达到理想的融合，该融合不仅使得复合体系的力学性能和降解性能可调，同时也进一步延缓了载入体系内的生物活性因子的释放，为其发挥更理想的生物学功能提供有利条件。
图2 有机无机复合水凝胶的理化性能表征
3. 有机无机复合水凝胶的成骨功能探索
为实现天然颌骨皮质-松质样密度梯度骨组织的诱导，在墨水体系中载入不同浓度的生物活性分子骨形态蛋白和纳米级磷酸钙材料，体外成骨相关功能实验证明其成骨活性具有浓度依赖性，为体内诱导密度梯度新生骨组织提供前提条件。
图3 有机无机复合水凝胶的成骨活性具有浓度依赖性
4. 骨髓间充质干细胞上清促进内皮细胞血管化
骨髓间充质干细胞培养体系的ELISA结果显示，上清中存在高浓度的血管内皮生长因子，因此，研究人员尝试将其上清共培养人脐静脉内皮细胞，结果显示其不仅能诱导内皮细胞的血管形成功能，且该诱导能力也呈一定程度的浓度依赖性。
图4 骨髓间充质干细胞上清液促进内皮细胞血管化
5. 有机无机复合水凝胶成骨机制探索
RNA-Seq结果进一步揭示该复合水凝胶能上调多个成骨功能相关基因表达，GO分析显示多个成骨相关生物学过程激活，KEGG结果显示ECM-receptor interaction、PI3K-AKT信号通路和focal adhesion通路富集。其中，表达上调最为显著的基因ITGA10同时也是上述信号通路的上游。因此，ITGA10/PI3K/AKT可能为该有机无机复合水凝胶促进成骨的潜在机制。
图5 有机无机复合水凝胶诱导成骨的机制探索
6. 体内实验成骨功能探索
家兔颌骨缺损模型证实，该仿生骨支架能高效诱导新骨的生理性重建，且降解速度与再生速度匹配。与口腔临床最主流的骨修复产品Bio-Oss骨粉相比，后者诱导的新骨组织虽然密度较高，但缺乏典型的皮质-松质样密度梯度结构，不利于生理性咀嚼功能的发挥和应力传递。
图6 仿生骨支架修复家兔颌骨的影像学结果
图7 仿生骨支架修复家兔颌骨的组织学结果
7. 有限元分析模拟咀嚼应力
通过有限元分析于新生骨组织区域模拟植入种植体，Bio-Oss骨粉诱导的致密性骨团块在负载生理性咀嚼力时出现了种植体周围的应力集中，而仿生骨支架诱导的近似天然的新生组织使得应力能在皮质骨的介导下分散至更为广泛的松质骨区域，降低了种植体周围的平均应力，为其行使正常咀嚼功能、确保远期治疗效果提供了结构基础。
图8 模拟颌骨天然咀嚼功能下新骨应力分布的有限元分析
综上，该项工作提出从多维度构建仿生体系，理想地解决了具有复杂咀嚼功能的颌骨缺损再生修复，该功能为导向的组织工程策略为功能化再生医学提供了新思路。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202301099
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