血管化组织再生新思路——把生物诱发信号引入3D生物打印

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3D打印仿生血管化骨支架表面涂层的“生物诱发”双生长因子传输体系示意图

目前,再生重建组织器官的最大难点是人工移植物的血管化。组织器官内部的血管网络可以传输营养物质和氧气,进而维持机体的代谢和正常的生命活动。在骨缺损修复再生的过程中,骨组织的血管化依然是个亟待解决的难题。支架,细胞和生长因子构成了组织工程学的基本三要素。比较传统的支架加工工艺,3D生物打印技术不仅提供病人定制化的支架外在结构,更可以控制支架内部的微结构,为多级多尺度复杂组织的重建提供了可能。熔融沉积打印是一种最为常见的3D打印方式,所得到的支架可以提供骨样的高强度和可控的高微观分辨率。然而,较为苛刻的加工过程,使其无法得到具有纳米尺度和生物活性的表面结构,更无法直接传递生长因子促进骨组织的修复和再生。此外,针对生长因子的传递研究报道虽然很多,但当前的生长因子的传输方式普遍缺乏定量、定位、定时等可控性,进而影响了其在组织修复再生过程中发挥最大的效能。

针对以上问题,乔治华盛顿大学的Lijie Grace Zhang教授课题组基于团队近年来在3D打印血管化骨方面的研究成果,创新的提出了结合流体灌注的3D打印血管化骨支架和多重生长因子智能传输体系的一体化设计思想。根据天然的人体血管化骨的结构的模拟,崔海涛博士、朱微博士等首先构建了具有贯通的血管通道的3D仿生的可降解聚乳酸支架;然后通过后编造方法,将骨形态蛋白和血管生长因子通过静电层层自组装的方式包埋到生物大分子(明胶和聚赖氨酸)内部,经过进一步交联得到互穿网络的纳米涂层。通过在纳米涂层修饰的支架表面共培养骨髓间充质干细胞和血管内皮细胞,使其诱导分化,最终得到血管网络穿插分布的成熟骨组织。“由于纳米涂层中的明胶分子具有金属蛋白酶作用位点,血管内皮细胞生长会积累释放金属蛋白酶,使涂层网络逐渐断裂,进而实现可控的释放生长因子”,作者定义这一过程为“生物诱发的智能释放”。此外,由于涂层编造过程中,两种生长因子在一定微观结构的支架表面通过次序的按量包埋,从而实现了生长因子的时空协同释放的效果。为进一步模拟体内流体力学环境,该支架被置于生物反应器内动态培养,研究结果显示了该复合支架具有显著的血管化骨的形成能力。该工作通过结合工程学、材料学和生物学,首次提出了仿生3D打印支架和生长因子智能传输一体化的设计思路,对实现复杂组织器官的修复和重建具有重要的意义。

相关工作得到了美国国立卫生研究院(NIH)院长创新奖的资助,论文发表在Advanced Science(DOI:10.1002/advs.201600058)上。