高分文獻解讀｜3D打印骨支架實現梯度密度頜骨功能性重建

近期，浙江大學醫學院附屬口腔醫院謝志堅教授團隊與浙江大學化學系唐睿康教授團隊、機械工程學院賀永教授團隊合作，在期刊Advanced Functional Materials（IF=19）上發表了題為“A Hierarchical 3D Graft Printed with Nanoink for Functional Craniofacial Bone Restoration"的文章。通過深入剖析頜骨組織與長骨組織在結構上的異同，明確頜骨在生理過程中的特殊的解剖基礎，并根據現有研究制備了一種新型功能化納米墨水，并通過光固化3D打印技術制造了具有天然頜骨微結構的仿生骨支架，為未來研發具有生理功能的骨移植體提供了新的思路。

文獻中引用產品

該項研究中使用了欣博盛生物（NeoBioscience Technology Co, Ltd）的QuantiCyto® Human BMP-2 ELISA kit與QuantiCyto® Rat VEGF ELISA kit，用于評估不同GelMA-CPO組BMP-2的釋放行為及檢測骨髓間充質干細胞培養上清中VEGF濃度。

研究詳情

臨床的顱面骨缺陷通常采用骨移植的方式進行治療，為避免自體和異體移植的諸多缺點，造骨異體移植（Bio-Oss）逐漸流行起來。為了設計出更多合適的仿生骨，近年來，生物3D打印技術的興起為個性化修復骨缺損提供了有利的條件。

然而，3D打印技術相關研究主要是針對長骨進行設計的，相比之下，具備更復雜的咀嚼功能的頜骨研究甚少。頜骨組織工程支架的設計不僅要考慮高效的骨誘導性能，還需恢復天然頜骨微結構以適應生理性咬合負荷。現有的骨組織工程支架大多強調骨量的再生，而忽略了功能相關的結構重建。

頜骨擁有典型的皮質骨和松質骨結構，分別具有一定的生理學功能；因此，研究團隊將骨形成蛋白（BMP-2）與超小磷酸鈣低聚物（CPO）加入3D打印所用墨水中，通過靜電作用和配位鍵的結合實現有機無機復合納米墨水的構建，機械性能與降解速度均有優化，利用高精度投影式光固化3D打印技術構建仿生骨支架。經驗證，這種支架的性能和精度均優于傳統的無定形磷酸鈣墨水打印產物。

由骨髓間充質干細胞培養體系的ELISA結果可見，細胞培養上清中存在高濃度的血管內皮生長因子（VEGF），因此，研究人員嘗試將其上清與人臍靜脈內皮細胞共培養，結果顯示該上清液不僅能誘導內皮細胞的血管形成，且該誘導能力具有濃度依賴性。RNA-Seq結果進一步揭示該復合材料能上調多個成骨功能相關基因表達，GO分析顯示多個成骨相關生物學過程激活，KEGG結果顯示ECM-receptor interaction、PI3K-AKT信號通路和focal adhesion通路富集，并以此探索了有機-無機復合材料誘導成骨的機制。

通過家兔頜骨缺損模型證實，該3D打印的仿生骨支架能高效誘導新骨的生理性重建，并且降解速度與再生速度匹配。與口腔臨床最為主流的骨修復產品Bio-Oss骨粉相比，由Bio-Oss骨粉誘導的新骨組織雖然密度較高，但缺乏典型的皮質-松質樣密度梯度結構，不利于生理功能的進行。與之對應的，分層的、具有良好生物相容性的仿生骨支架能夠較為理想地解決具有復雜咀嚼功能的頜骨缺損再生修復問題，為其行使正常咀嚼功能、確保遠期治療效果提供了結構基礎。該功能為導向的組織工程策略為功能化再生醫學提供了新思路，目的是在臨床應用中產生更好的效果。

文獻引用：

Shi Y, Shi J, Sun Y, et al. A Hierarchical 3D Graft Printed with Nanoink for Functional Craniofacial Bone Restoration[J]. Advanced Functional Materials, 2023: 2301099.

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