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仿生富集通道的微流控 3D 打印支架用于骨再生

期刊综述    2021-09-18 15:44

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研究背景

➣组织工程支架已广泛用于骨缺损的治疗;然而,整个支架缓慢且不充分的血管化仍然是进一步应用的关键挑战。

➣本研究提出了一种通用的微流控3D打印技术,用于制备具有光热响应通道的黑磷(BP)纤维支架,以改善血管化和骨再生。

➣热通道支架在近红外照射下表现出可逆的收缩和膨胀行为,这有利于悬浮细胞穿透支架通道,促进血管前化。

➣此外,嵌入的 BP 纳米片表现出原位生物矿化的内在特性,并改善体外细胞增殖和成骨分化。在体内移植后,这些通道还促进宿主血管深入支架并有效加速骨缺损的愈合过程。

 

微流控3D打印响应支架

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图1.  具有用于骨再生的仿生富集通道的微流控3D打印响应支架的示意图。

 

➣微流控旋转 3D 打印策略来制造黑磷 (BP) 结合纤维支架,其具有理想的骨再生特征,如图 1 所示。微流控处理微尺度通道中的单个或多个流体相,从数十到数百微米。

➣模拟血管的含 BP 支架显示出由 NIR 照射触发的可逆收缩和肿胀行为,这可以促进细胞渗透到支架通道中。

➣嵌入的BP纳米片在暴露于水或氧气中时很容易被氧化形成磷氧化物,磷氧化物捕获周围的游离钙离子以加速大鼠颅骨缺损中的原位生物矿化。

 

含 BP 中空支架的微流控打印

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图2 多通道支架的形态特征。

 

➣NIR 响应多通道支架是通过在微流控打印过程中将 BP 纳米片加入热响应聚 (NIPAM) 水凝胶前体中构建的。

➣之前的研究报道中,BP纳米片是通过块状BP晶体的超声剥离来获得的。

➣本研究中,作者使用这种微流控打印技术,成功地制造了非通道和 1、2 和 3 通道含 BP 的纤维支架,分别命名为 BP-0HF、BP-1HF、BP-2HF 和 BP-3HF 支架 (图2)。

 

BP-HF 支架的近红外响应特性

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图3 BP-HF 支架的光热响应性能测试图。

 

➣HF 和 BP-HF 支架的表面温度和体积变化在暴露于 0.40 W cm−2 的 808 nm 激光 5 分钟(激光),然后自然冷却 3 分钟(激光 关闭,图 3a-c)。

➣与相同辐照条件下纯 HF 支架的光热效应可忽略不计相比,BP-HF 支架的温度从 19.2°C 增加到 48.2°C。

➣由于聚 (NIPAM) 被称为热敏水凝胶,其临界溶解温度 (LCST) 较低,约为 32 °C,并且显示出响应环境温度变化的可逆相变,因此水凝胶在低于 LCST 的温度下膨胀,当温度低于 LCST 时水凝胶会收缩。

 

支架通道中的体外细胞富集

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图4 NIR 响应支架的细胞富集过程。

 

➣BP-HF 支架的 NIR 响应性使通道结构具有可控的膨胀/收缩特征,这有望促进细胞在重复的激光“开/关”循环下渗入支架通道。

➣大量细胞将在几分钟内在支架通道内富集,甚至在更深的通道中(图 4b、c)。

➣受益于 BP-HF 支架良好的生物相容性和动态通道,支架通道内的 HUVEC 存活并正常增殖 5 天(图 4d、e)。

 

BP-HF 支架的体外成骨活性

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图5 BP-HF 支架的体外成骨活性。

 

➣ 为了研究 BP-HF 支架的内在骨再生能力,将 rBMSCs 与不同的支架一起培养。图 5a 显示 rBMSCs 在两种 BP-HF 的表面上粘附和扩散良好。

➣与 HF 支架相比,BP-HF 支架在培养 5 天后显着促进了 rBMSCs 的细胞增殖(图 5b)。结果发现,与纯水凝胶支架相比,含 BP 支架的 rBMSCs 在第7天和第14天的 ALP 活性显着增强(图 5c、d)。

➣当 rBMSCs 与支架孵育14天和21天时,在 BP-HF 组中观察到的钙矿物质结节比其他组多,定量分析进一步证实了 BP-HF 支架增加的钙积累(图 5c,e) 。

 

BP-HF 支架的体内 NIR 增强骨再生能力

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图6 通过动态 NIR 响应 BP-HF 支架增强体内骨再生。

 

➣鉴于BP-HF支架的光响应细胞增强能力和内在成骨能力,该团队随后使用大鼠颅骨缺损模型研究了体内 NIR 增强的骨再生能力。

➣支架植入2周后观察到少量新生骨组织,当治疗期延长至6周时,BP-HF组和BP-HF+NIR组新生骨组织发生率高于对照组。在 HF 和对照组中,如 3D 重建微 CT 图像所示(图 6a)。

➣定量分析显示,BP-HF+NIR 组在第 2 周和第 6 周的所有组中具有最高的骨组织体积/总组织体积(BV/TV,图 6b)和骨矿物质密度(BMD,图 6c),表明 BP-HF+NIR 组新骨组织再生速度快于其他组。