3D打印Janus异质微球精准控释实现全周期调控骨再生

时间：2024-08-27 08:43 来源： EngineeringForLife 作者：admin 阅读：次

      据统计，全球每年骨移植手术量约200万例，尽管自体骨及同种异体骨移植具有良好的骨再生效果，但由于存在供区并发症及供体来源限制等问题，仍有90%以上的手术需借助骨移植材料完成，因此，目前临床对骨移植材料具有庞大的需求。由于天然骨组织以磷酸钙为主体成分，因此现有骨替代品主要以磷酸钙基材料为主，通过将钙磷原料直接供给缺损区，实现骨引导作用。然而，文献表明，该类磷酸钙基材料植入体内后，并非直接与受区融合成骨，而是通过降解再成骨的方式促进骨再生，同时，其降解率较低，长期的空间占位也影响了新骨的有效重建。因此，这种以成熟骨组织的主要化学成分作为骨替代品的主要成分的Top down策略存在成骨效率低、影响新骨的高效再生等缺点。
      基于此，浙江大学医学院附属口腔医院谢志坚教授、石珏医师团队与浙江大学机械工程学院贺永教授团队合作，通过解析骨再生序列事件，研发设计了通用型Janus异质微球控释系统，通过精准调控异质微球的释放行为，靶向骨愈合过程中多个生物学事件，从而实现全周期高效促进骨再生，相关研究“A Janus Microsphere Delivery System Orchestrates Immunomodulation and Osteoinduction by Fine-tuning Release Profiles”以封面文章发表于《Small》杂志（DOI: 10.1002/smll.202403835），浙大附属口腔医院博士生史洋及硕士生顾静怡为共同第一作者。
       研究人员通过深入剖析骨愈合的多个生物学事件，包括炎症期、修复期、矿化期等，采用性能高度可调的甲基丙烯酰化明胶实现对临床常用生物活性分子骨形态蛋白-2（BMP-2）及磷酸钙材料（CPO）的精准控释，以最简单的“配方”实现对复杂生物学过程的按需调控，该Bottom up（自下而上）再生调控策略（靶向骨再生系列生物学事件设计骨替代品）为临床骨替代品的革新提供了新思路。

基于Bottom up再生理念的Janus异质微球控释系统

1.Janus异质微球控释系统的设计与制造
研究人员选用性能高度可调的GelMA水凝胶作为Janus异质微球控释系统的主体成分，通过调控GelMA的取代率，实现对双重生物活性成分（BMP-2和CPO）的精准控释。载活性成分的不同取代率GelMA基墨水均具有理想的流变性能（图1 A、B），为高精度投影式光固化3D打印制造提供了前提条件。在软件中设计Janus形态的异质微球后（图1 C），利用EFL的光固化打印机(EFL-BP86系列生物3D打印机)成功构建了粒径约为1 mm的Janus异质微球（图1 D-F），该微球具备理想的可注射性能（图1 G、H），有助于严密填充复杂形态的骨缺损。

图1 Janus异质微球的设计与制造

2.Janus异质微球的理化性能探索
Janus异质微球表面完整，呈微纳级多孔状微结构（图2 A），含CPO的一侧微球能检测到钙元素分布（图2 B），表明投影式光固化3D打印技术能实现微球双相成分的精准制造。傅里叶红外结果进一步表明CPO与GelMA之间存在化学结合力（图2 C），这为精准控释CPO提供了前提条件。将不同取代率的GelMA水凝胶分别负载BMP-2及CPO，实现了对双重活性成分的灵活控释，低取代率GelMA能快速释放因子，而高取代率GelMA则具有可控的释放性能（图2 D、E），同时，其控释行为也一定程度受到该系统的整体降解及溶胀性能的调控（图2 F、G）。

图2 Janus异质微球的理化性能探索

(责任编辑：admin)

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