供稿人：張益涵、王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-01-07
天然骨是由有機(jī)和無(wú)機(jī)成分組成的復(fù)合組織，表現(xiàn)出壓電性。白磷鈣石（WH）是一種天然的含鎂磷酸鈣，由于其燒結(jié)處理后具有獨(dú)特的壓電性能和鎂離子（Mg 2+）的持續(xù)釋放，近年來(lái)在骨形成方面引起了人們的極大關(guān)注。
北京化工大學(xué)有機(jī)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蔡晴教授團(tuán)隊(duì)提出了第一個(gè)具有持續(xù)Mg 2+釋放的仿生壓電支架的例子。通過(guò)熔融擠出成形（FDM）方式制備壓電WH（PWH）和聚己內(nèi)酯（PCL）組成的復(fù)合支架（表示為PWH支架），如圖1所示。該支架滿(mǎn)足神經(jīng)血管化骨組織再生的生理需求，即在缺損部位提供內(nèi)源性電場(chǎng)。同時(shí)，WH支架中Mg 2+的持續(xù)釋放顯示出多種生物活性，與壓電效應(yīng)在抑制破骨細(xì)胞活化、促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）向神經(jīng)、血管和成骨方向分化方面表現(xiàn)出較強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)。
圖1 骨特異性電活性含PWH的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合支架的設(shè)計(jì)的示意圖
PWH NP和PWH復(fù)合支架的制備和表征如圖2所示，為了比較，該團(tuán)隊(duì)打印非電活性PCL、PCL/WH（為了簡(jiǎn)化，表示為WH scaff fold）和PCL/β-TCP（β-磷酸三鈣，為了簡(jiǎn)化，表示為β-TCP支架）支架。壓電PWH NP在再生骨組織方面顯示出優(yōu)于WH NP和β-TCP NP的優(yōu)勢(shì)，WH的支架都表現(xiàn)出Mg和Ca離子的持續(xù)釋放長(zhǎng)達(dá)21天。上述結(jié)果共同證明PWH支架具有上級(jí)的壓電性和生物活性離子的持續(xù)釋放，這有望有利于骨再生。
圖2 (A)基于PWH NP的3D打印復(fù)合支架的制造過(guò)程圖(B)WH NP的代表性SEM圖像 (C)各種復(fù)合膜的CV曲線(xiàn)（D）AC阻抗曲線(xiàn)（±表示退火與否）(E)退火處理（650 ℃，3小時(shí)）前后WH NP的XRD圖和（F）FTIR光譜圖 (G)各種支架的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn) (H)PWH和WH支架的Mg 2+和Ca 2+釋放曲線(xiàn) (I)3D打印PWH支架的照片 (J)代表性SEM和P、Ca和Mg元素映射圖像
部分細(xì)胞實(shí)驗(yàn)及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果如圖3所示。綜合體外實(shí)驗(yàn)的總體結(jié)果充分證明，PWH支架可以促進(jìn)神經(jīng)元分化，增強(qiáng)血管生成，抑制破骨細(xì)胞，從而增強(qiáng)骨再生。此外，與 WH 支架（即缺乏電活性）和 β-TCP 支架（即缺乏電活性和 Mg2+ 供應(yīng)）相比，這些特征使得 PWH 支架在修復(fù)大鼠顱骨缺損方面表現(xiàn)得更好。源自 PWH 支架的 Mg2+ 和壓電的協(xié)同效應(yīng)可以顯著促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生和血管生成，從而增強(qiáng)骨生成。因此，我們預(yù)計(jì)這種骨特異性仿生支架可以為骨再生提供一種有前途的策略，這可以極大地拓寬WH/PWH在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。
圖3 (A)RT-PCR評(píng)價(jià)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞神經(jīng)源性和血管源性分化的實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖 (B)SD大鼠顱骨缺損模型建立以及通過(guò)促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生和血管生成來(lái)增強(qiáng)骨再生機(jī)制 (C)CAM測(cè)試實(shí)驗(yàn)示意圖 (D)支架及注射支架提取物刺激的血管生成可視化圖像 (E)大鼠頭骨的重建 3D 顯微 CT 圖像