强磁场团队在3D生物打印组织工程研究方面取得新进展

      近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心王俊峰研究员团队在开发新型3D生物打印复合材料用于组织工程修复领域取得了系列研究进展，相关研究发表在国际期刊Materials & Design和International Journal of Biological Macromolecules。

　　3D生物打印技术，作为前沿的生物制造技术，通过使用活细胞、支架材料、生长因子等生物活性物质来构建复杂的生物组织，模仿天然组织的功能和形态。这项技术在生物组织修复中具有众多优势。首先，它能根据患者需求制造个性化组织或器官，适用于复杂损伤的修复；其次，它可使用患者自身细胞打印与其基因匹配的组织，减少免疫排斥；此外它还能再生复杂组织，如血管化组织和神经组织。

　　目前常用的3D生物打印材料包括用于硬组织修复的聚己内酯（PCL）和聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA），以及用于软组织修复的水凝胶（如明胶、海藻酸盐、透明质酸）。尽管3D生物打印技术潜力巨大，但材料选择与优化始终是制约3D生物打印技术发展的关键因素，特别是材料的生物相容性、机械性能、可降解性和打印精细度等特性。

　　生物硼基玻璃（BBG）是一种生物活性材料，在骨组织修复和再生医学中已有广泛应用。生物玻璃能够与人体组织和细胞良好相容，能够被机体识别并促进组织的整合。生物玻璃在接触体液时能够形成一层羟基磷灰石（HA）表面，这种层能够促进骨细胞的黏附和生长，促进骨组织的再生。生物玻璃的降解速度可以通过调控其化学成分来调整，以满足不同组织的修复需求。合适的降解速度可以确保材料在组织再生过程中逐渐被体内组织取代，而不会产生过快或过慢的降解。生物玻璃可以与其他材料（如聚合物、水凝胶）复合使用，形成具有高机械强度和良好加工性能的材料，在3D生物打印材料中的应用展现出巨大潜力。

　　在骨组织修复中，研究团队利用BBG的独特理化特性，结合生物支架体BCC单元设计了含有不同BBG含量（0%、5%、10%、20%和40%）的定制BBG/PCL复合材料，并通过选择性激光烧结（SLS）技术3D打印出高质量的骨缺损修复支架。系统评估了这些BBG/PCL复合支架的孔隙几何形状、孔隙率、机械强度、亲水性、蛋白质吸附、降解行为、体外细胞相容性、成骨分化行为及体内生物学性能，以用于大段骨缺损（CSBD）修复。实验结果表明，BBG的加入显著改善了支架的综合性能，包括适宜的孔隙率、机械强度、亲水性、体外降解速率、细胞相容性、成骨分化能力及体内成骨和血管生成的生物学性能。研究发现，20% BBG含量为材料性能的最佳配比，20BBG/PCL复合支架表现出68.5%的孔隙率、650微米的孔径和0.860 MPa的压缩强度。

　　在软组织修复中，团队基于对BBG的特殊内外生物矿化特性的深入研究，将BBG颗粒引入海藻酸钠（SA）中，构建了高精度3D打印的BBG-SA生物墨水。研究表明，BBG与SA结合后，能够有效诱导降解并释放Ca2+，启动SA的内部凝胶化过程。同时，BBG作为填料解决了传统使用氯化钙（CaCl₂）进行外部交联时造成的凝胶化不均匀和显著收缩问题。通过挤出式3D打印技术，团队设计了含有不同BBG含量（0%、0.3%、0.5%、0.7%）的3D打印水凝胶复合支架，并系统评估了BBG-SA水凝胶的流变特性、打印精度和成型收缩情况。结果表明，添加BBG显著改善了海藻酸钠在3D打印中的低打印精度和成型收缩问题，其中0.5% BBG-SA配方表现出最佳的可打印性、打印精度和成型收缩，展示了在组织工程3D生物打印中的应用潜力。这些新型生物墨水还展现出优异的生物相容性，增强了MC3T3-E1细胞在支架表面的黏附和增殖，并促进了软组织相关基因和蛋白质的表达。

　　以上工作获得了国家自然科学基金、中国科学院合肥物质科学研究院院长基金以及中国科大研究生双创基金的资助和支持。

　　文章链接1：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111543

　　文章链接2：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.134338

图1. 个性化BBG/PCL复合多孔支架SLS制备过程

图2. 20BBG/PCL支架指引兔子桡骨大段骨缺损再生效果良好