3D打印遇上血管化骨修復：搭建骨骼健康的 “希望橋梁”
在骨骼損傷修復領域，因創傷、手術、疾病等導致的骨缺損修復面臨諸多挑戰，傳統的自體骨移植存在手術創傷大等局限。骨組織工程為骨缺損修復帶來希望，其中血管化骨修復支架因能模擬骨組織結構、促進高效修復而備受關注。3D打印技術憑借獨特優勢，在構建血管化骨修復支架中發揮重要作用。然而，目前該技術在實際應用中仍面臨難題，如微管網絡構建困難、細胞精準分布不易實現、支架孔隙率與機械性能難以平衡以及體內降解速率難以調控等。
來自四川大學的羅澤宇和周宗科教授團隊，對3D打印制備血管化骨修復支架的研究進展進行了綜述。團隊詳細探討了當前在打印技術、打印墨水、生物活性因子以及支架結構設計等方面的進展，并深入分析了其在多種骨缺損疾病治療中的應用。在此基礎上，團隊提出3D打印的血管化骨修復支架雖前景廣闊，但需克服現有挑戰，未來應致力于優化打印技術、改進墨水性能、創新支架結構設計。相關工作以“Revolutionizing Bone Regeneration: Vascularized Bone Tissue Engineering with Advanced 3D Printing Technology”為題發表在《Aggregate》上。
研究內容
1. 血管化骨修復支架的設計策略：該圖展示了血管化骨修復支架的設計策略，涵蓋打印技術、墨水、生物活性因子、支架結構等方面。打印技術包括光基和噴嘴基等多種技術，墨水需具備多種特性，生物活性因子影響支架功能，支架結構設計涉及孔隙和管道結構，這些要素相互關聯，共同影響支架性能。
2. 血管生成 - 成骨耦合機制：圖中呈現了正常骨發育和骨折愈合過程中的血管生成 - 成骨耦合機制。正常骨發育經軟骨內骨化形成復雜血管網絡；骨折愈合分為血腫形成、軟骨痂形成、硬骨痂形成和骨重塑四個階段，各階段中血管生成與成骨相互作用，共同促進骨修復。
3. 3D打印策略：介紹了多種3D打印技術的系統，如選擇性激光燒結、立體光刻、數字光處理、體積打印、熔融沉積建模、擠出打印和熔絲電子書寫等。這些技術原理不同，各有優缺點，在構建血管化骨修復支架時發揮著不同作用，為支架的制造提供了多樣化的選擇。
4. 部分打印墨水的化學結構式：展示了藻酸鹽、GelMA、絲素蛋白、PCL、PLA、PLGA和聚醚醚酮等打印墨水的化學結構。這些墨水具有不同的特性，在3D打印血管化骨修復支架中，其結構決定了支架的性能，如生物相容性、機械性能、降解性等，影響著細胞的生長、黏附和分化。
5. 血管化骨修復支架的孔結構設計：通過不同實驗對比了不同打印技術和不同孔形狀、形貌的支架對細胞分化和功能的影響。結果表明，孔大小、纖維絲直徑和孔形貌均會影響細胞行為和支架功能，合理設計孔結構可實現促進成骨和血管生成的雙重功能，為支架設計提供了重要參考。
6. 血管化骨修復支架的管結構設計：呈現了多種管結構設計，如不同數量通道的空心纖維構成的支架、細胞負載的空心管結構、仿生哈弗斯管和伏克曼管的支架等。這些管結構可促進營養物質運輸和血管生成，模擬天然骨血管結構，有助于提高支架修復骨缺損的效果。
7. 血管化骨修復支架在糖尿病性骨缺損中的應用：展示了血管化骨修復支架在糖尿病性骨缺損治療中的應用，包括具有光熱治療活性的軟硬結合系統、修復支架的設計與制備以及體內修復效果。這些支架通過改善局部微環境，促進血管生成和骨再生，為糖尿病性骨缺損的治療提供了新的解決方案。
8. 血管化骨修復支架在骨質疏松性骨缺損中的應用：介紹了3D打印的PCL支架和甲狀旁腺激素相關肽結合的3D打印大孔鈦支架在骨質疏松性骨缺損治療中的應用。這些支架可調節骨代謝穩態，促進血管生成和細胞增殖，為骨質疏松性骨缺損的修復提供了有效手段。
9. 血管化骨修復支架在仿生骨膜中的應用：展示了3D打印仿生血管化骨修復骨膜的設計與制備，以及免疫熒光圖像顯示的其在促進血管生成和骨生成方面的優勢。這種仿生骨膜為骨缺損修復提供了新的思路和方法，有望改善骨修復效果。
10. 血管化骨修復支架在骨肉瘤術后骨缺損中的應用：呈現了3D打印的復合支架在骨肉瘤術后骨缺損治療中的應用，包括支架的光熱治療腫瘤、促進血管生成和骨再生的功能，以及免疫組化染色結果。這些支架為骨肉瘤術后骨缺損的修復提供了新的策略，具有重要的臨床意義。
結論
本研究綜述了3D打印制備血管化骨修復支架的研究進展，闡述了成骨 - 血管生成耦合機制，總結了相關的3D打印技術、打印墨水和生物活性因子。通過選擇合適的打印技術和墨水，制備的3D支架可負載生物活性因子，實現血管化骨再生功能，且特殊的結構設計能增強這一功能。與傳統骨修復支架相比，血管化骨修復支架修復能力更強，在多種骨缺損相關疾病治療中表現出色，為骨組織修復提供了新思路。
然而，3D打印血管化骨修復支架在實際應用中仍面臨挑戰，如微血管網絡構建困難、細胞精準分布不易、支架孔隙率與機械性能難以平衡以及體內降解速率難以調控等問題。展望未來，隨著打印技術和墨水的不斷改進，以及新型支架結構的設計，3D打印血管化骨修復支架有望在骨組織再生領域取得更大突破，推動骨缺損治療的發展。
文章來源：https://doi.org/10.1002/agt2.731
(責任編輯：admin)
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