受莲藕结构启发的 3D 打印生物陶瓷支架改善血管化和骨生长

 临床上，大块骨缺损的修复是人类面临的挑战之一，3D 打印技术可以便捷的制备形状可控的多孔支架材料，广泛应用于生物材料和骨组织工程领域。传统 3D 打印支架具有多孔的结构，将材料植入缺损部位后，营养物质和细胞沿着孔向内渗入支架内部，有利于骨组织向内长入，促进骨缺损的修复。
然而，传统 3D 打印支架在大块骨缺损方面仍显不足。传统 3D 打印支架由实心的基元堆叠而成，降低了材料的孔隙率；传统 3D 打印支架的孔隙呈阶梯三维延伸状，并没有形成平直的孔道状，在流体力学上有较强的流体阻力，不利于营养物质和细胞渗入支架内部，阻碍了修复过程中的成血管和成骨。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员吴成铁与常江带领的研究团队，在 3D 打印复杂结构生物陶瓷用于血管化大块骨缺损修复方面取得新进展。该研究团队受到自然界中莲藕内部平行多通道结构的启发，采用 3D 打印制备出仿生莲藕支架，并与上海交通大学附属第九人民医院蒋欣泉团队合作，进一步发现该类支架相对于传统 3D 打印支架，具有显着提高大块骨缺损的修复的能力。相关研究成果发表在 Advanced Science 上，并申请专利一项。  

该研究团队把传统 3D 打印支架每个基元的内部做成平行多通道结构，这种结构有望促进新血管和骨组织的长入，有利于骨缺损的修复，并重新设计了内部共轴镶嵌的挤压式 3D 打印针头，通过改进的 3D 打印制备方法，实现一次性打印仿生莲藕支架，改进的 3D 打印方法能够调控仿生莲藕支架的物理和化学性质。

采用该方法不仅可以用各种生物陶瓷（Akermanite， Al2O3， ZrO2）、金属 Fe 和高分子海藻酸钠等多种材料制备出仿生莲藕支架，而且能制备出不同形状、孔道数目、孔道直径的仿生莲藕支架。此外，通过调控 3D 支架的基元堆砌方式和孔道数目，来调控该仿生莲藕支架的孔隙率和力学强度。该仿生莲藕支架的高孔隙率达到 80%，力学强度可达 40MPa 以上，能满足骨缺损修复材料的要求。
研究团队进一步通过选择生物活性良好的镁黄长石（Akermanite）陶瓷作为基体代表材料，来探究这种仿生莲藕材料在骨组织再生工程中的性能和应用，分别制备了具有单孔道、双孔道、三孔道和四孔道的仿生莲藕生物陶瓷支架。体外生物学分析结果表明，与传统 3D 支架相比，该仿生莲藕镁黄长石生物陶瓷支架更有利于细胞的粘附和增殖，并随着通道数目的增加，其效果越明显增加。

体内动物实验表明，该仿生莲藕生物支架提高了骨组织再生能力和成血管化效应，有利于骨缺损的修复。与传统的 3D 生物活性支架相比，该 3D 打印仿生莲藕生物支架更有利于营养物质向支架内部的传输，引导细胞和组织向内长入，从而促进前期的成血管以及后期的成骨，提高了骨缺损的修复性能。由于其多通道高孔隙率的结构特点，该种材料还可以用于药物大分子装载、表面功能化修饰以及催化、能源、环境等其他领域。