由退行性疾病引起的骨軟骨缺損難以實現(xiàn)自愈合,軟骨和軟骨下的骨組織同時再生是治療骨軟骨缺損的有效方法之一。然而,設(shè)計一種用于骨軟骨缺損的再生的具有合適的離子成分和具有刺激骨/軟骨再生能力的生物支架是具有挑戰(zhàn)性的。Si在軟骨系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用,對軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的合成有積極影響;Li鹽可通過激活Wnt信號通路,促進(jìn)小鼠軟骨下骨組織形成,提高骨量。利用Li和Si離子的協(xié)同作用作者認(rèn)為L2C4S4支架可以同時再生軟骨和軟骨下骨組織。
Lei Chen等研究人員采用溶膠-凝膠法成功合成了一種純相的鋰鈣硅酸鹽 (Li2Ca4Si4O13, L2C4S4)生物陶瓷,并采用3D打印制備了L2C4S4支架。當(dāng)孔徑為170 ~ 400微米時,L2C4S4支架的抗壓強(qiáng)度可被控制在15 - 40 MPa范圍內(nèi)。L2C4S4支架具有可控的生物降解性和良好的磷灰石礦化能力。在一定濃度范圍內(nèi),L2C4S4的離子產(chǎn)物明顯促進(jìn)了軟骨細(xì)胞的增殖和成熟,促進(jìn)了rBMSCs的成骨分化。與純β-TCP支架相比,L2C4S4支架同時促進(jìn)了兔骨軟骨缺損軟骨和軟骨下骨組織的再生。這些結(jié)果表明,3D打印的L2C4S4支架具有特異的離子結(jié)合,機(jī)械強(qiáng)度高,降解性好,具有雙重生物活性,是一種很有前途的骨軟骨界面重建生物材料。
圖一 L2C4S4支架在骨軟骨重建中的應(yīng)用示意圖。采用溶膠-凝膠法成功地合成了純相L2C4S4粉體;3D打印的L2C4S4支架能在體外促進(jìn)軟骨成熟與成骨分化;L2C4S4支架在體內(nèi)也能顯著加速軟骨再生,促進(jìn)軟骨下骨組織重建
作者通過XRD分析了L2C4S4支架的相組成;通過光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和Micro-CT觀察了支架的形貌、孔結(jié)構(gòu)和孔徑;通過模擬體液中浸泡后通過XRD、SEM、EDS等手段觀察了支架表面磷灰石的形成。此外,作者還在鹽酸緩沖液中進(jìn)行了支架降解性能的測試,測量了支架質(zhì)量與離子釋放隨時間變化的性能。如圖二所示,作者使用兔骨髓干細(xì)胞(rBMSCs)進(jìn)行細(xì)胞實驗,通過堿性磷酸酶比色法(ALP)對rBMSCs成骨分化的促進(jìn)作用進(jìn)行了檢測,使用茜素紅染色試劑盒研究了rBMSCs成骨分化的終末期并計算了鈣沉積,與β-TCP相比, L2C4S4明顯提升rBMSCs成骨分化,驗證L2C4S4離子產(chǎn)物對體外成骨和軟骨形成的促進(jìn)作用。
圖二 直寫成形的水凝膠零件,rBMSCs的成骨分化。β - tcp和L2C4S4提取物培養(yǎng)14天后rBMSCs的ALP活性(A) ALP活性(B) ALP染色圖像;用b-TCP和L2C4S4提取物培養(yǎng)21天,茜素紅分析rBMSCs, (C)茜素紅定量,(D)茜素紅染色圖像
作者將軟骨細(xì)胞和rBMSCs在L2C4S4支架培養(yǎng)24小時,通過SEM和骨架染色觀察細(xì)胞的形態(tài)與黏附情況。進(jìn)而將支架植入骨軟骨缺損的兔子模型體內(nèi),通過H&E染色和Micro-CT觀察,研究了支架對骨軟骨再生的體內(nèi)刺激作用。如圖三所示,Safranin-O/Fast Green染色結(jié)果顯示,與其他兩組相比,L2C4S4組在第12周時具有大量透明軟骨樣組織。
圖三 術(shù)后8周和12周軟骨和軟骨下骨的再生質(zhì)量。術(shù)后8周(A1-C3)和12周(D1-F3) Safranin-O/Fast Green染色。A1-3和D1-3: CTR組,B1-3和E1-3: b-TCP組,C1-3和D1-3: L2C4S4組。黑色、藍(lán)色和紅色分別代表支架、骨和軟骨。
該研究采用溶膠-凝膠法成功合成了純L2C4S4晶體,并采用3D打印技術(shù)制備了大孔結(jié)構(gòu)高度均勻的L2C4S4支架材料。通過改變L2C4S4支架的孔徑(170-400微米),可以將其抗壓強(qiáng)度有效控制在15- 40MPa,高于傳統(tǒng)的生物陶瓷和聚合物支架。3D打印的L2C4S4支架具有明顯的磷灰石礦化能力,有利于軟骨細(xì)胞和rBMSCs的附著。此外,濃度為6.25-25 mg/mL的L2C4S4提取物在體外明顯促進(jìn)了軟骨細(xì)胞的成熟,促進(jìn)了rBMSCs的成骨分化,而L2C4S4支架在體內(nèi)也促進(jìn)了軟骨和軟骨下骨的再生。
參考文獻(xiàn): L. Chen, C. Deng, J. Li, Q. Yao, J. Chang, L. Wang and C. Wu, 3D printing of a lithium-calcium-silicate crystal bioscaffold with dual bioactivities for osteochondral interface reconstruction, Biomaterials, (196) (2019) 138-150
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