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AME骨科频道|论 3D 打印复合磷酸钙和胶原骨再生支架

Published at: 2015年第1卷第S1期

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编者按:最近发表在生物材料杂志上题为 “3D 打印复合磷酸钙和胶原骨再生支架”的文章指明了制作特殊支架的方法,使用磷酸盐(CaP)粉末,磷酸,I 型胶原和失水山梨醇单油酸酯聚氧乙烯醚在低温条件下制作。经过优化各成分的浓度,所述支架在一个临界尺寸的鼠股骨缺损模型中进行了评估,并表现出良好的材料特性。基于这篇文章,南京鼓楼医院的蒋青教授等做了一些对应用于 3D 打印骨组织工程的材料的相关介绍,并展示在这一研究领域的最新进展。感谢来自中南大学湘雅医院骨科雷鹏飞医生的专业翻译,也感谢他作为骨科频道“狂热快乐小粉丝”一直以来的支持。

 

虽然骨组织具有良好的自我愈合能力,但大尺寸骨缺损人体自身不能愈合。为克服这一临床障碍,自体移植和同种异体移植是两种常见的治疗方案。然而,这两个方法都有其局限,包括移植材料的量,供区并发症,高感染风险,慢性疼痛和较长的康复过程。

由于这些复杂的原因,合成和/或再生骨组织以恢复、保持或提高其体内的功能的方法已成为骨组织工程研究热点。材料和结构是两个可对支架生物相容性,机械强度和细胞活力产生重要影响的关键因素。由适当的材料制备的三维(3D)生物相容支架的结构可模仿细胞外基质的性质,并通过生物化学和力学相互作用提供体内骨组织形成的模板。

一篇题为“3D 打印复合磷酸钙和胶原骨再生支架”的文章发表在生物材料杂志上,阐述了一种在低温下通过复合材料制备三维结构支架的新方法,材料包括钙磷酸类(CaPS),I 型胶原蛋白,乳化剂 T-80(一种非细胞毒性的表面活性剂)和磷酸。这项研究通过一系列严谨的实验阐述了制备和验证材料,并且包括了体内实验。

为使复合粉末含有的羟基磷灰石(HA)和 α-磷酸三钙(α-TCP),该含有 Ca(NO 3)3•4H2O,(NH 4)2 HPO 4 和碳酰肼的溶液先在 500℃ 燃烧,随后在 1300℃ 条件下煅烧。用于 3D 打印的粘合剂溶液是由不同浓度I型胶原蛋白,磷酸和乳化剂 T-80 组成,可增强材料的机械强度而不损害其生物相容性。作者出示了一些实验结果,包括细胞活力,最大弯曲应力和显微 CT 来说明他们是如何确定最佳粘合剂溶液酸度和粉末粒尺寸。

所述支架由 30 到 150 微米尺寸的磷酸钙粉末与含有 0.25wt% T80 的 8.75wt% 磷酸溶液通过 HP 热喷墨机选择性结合,在低温下通过 ZPrinter450 打印制成。根据所述结果扫描电子显微镜照片,3D 打印支架的孔径在 20-50 微米,层厚度为 89 微米。I 型胶原是骨细胞外基质的主要结构蛋白,因其可形成纤维,为测定其功能特性,一些支架制备的溶液不含胶原,却由 0.5 wt%的中性胶原凝胶涂层并干燥后在其表面形成一层膜。

体内大范围骨缺损的修复是由鼠股骨缺损模型评估的。在 13-15 周雌性小鼠的股骨中段截骨制造一个 2 毫米的缺损,后用同种异体移植物或 3D 打印支架[磷酸钙支架(CPS),CPS 与胶原结合物,CPS 用胶原表面喷涂〕置入缺损处 9 周。 每周通过 X 线监测骨愈合的进展和采用显微 CT 是用来测定矿化量,骨密度和矿物质含量。通过使用 EnduraTec 测试平台来检测生物力学性能,特别是扭力。

虽然 CPS 与胶原结合物和 CPS 用胶原表面喷涂的最大弯曲强度,韧性和细胞活力等结果在体外实验中有都提高,其结果在体内实验中却存在差异。尽管同种异体移植物和 3D 打印支架的新骨形成的水平相似,通过测定矿物含量和支架移植存活率,喷涂胶原的支架具有更低诱导新骨形成和长入的能力。与 3D 打印支架相比,异体移植物具有最大净矿化量和更高的最大扭矩值,虽然降解或重吸收较慢。然而,宿主-宿主整合在 3D 打印支架或异种移植物中均未观察到。造成这种现象的原因可能是支架的骨传导性能足够而骨诱导性能不足,这就造成了在移植物中出现骨形成与不完全愈合并存。

由于具有骨传导性和良好的机械强度,CaPs 是骨组织工程常用的替代材料。这种材料最常用的处理方法是高温烧结,以实现更高的机械强度,但却具有较低的生物活性,因为几乎所有的生物活性物质不能耐受高达 1200℃ 或更高的温度。一项体外研究表明,用含有的不同比例的 HA 及 TCP 的双相磷酸钙(BCP)制成的支架具有细胞相容性,且与纯 TCP 比较有更强的细胞活性和细胞增殖。为保持生物活性,磷酸二氢磷酸盐和生物活性玻璃在热处理过程中与 CaPs 混合,这三个成分之间反应可以产生具有生物降解活性潜力的各相 CaNaPO4 和 CaSiO3。人类间充质干细胞(hMSC)与烧结的 BCP 颗粒关联后植入裸鼠的胫骨周围肌肉 4 周可诱导破骨细胞形成和骨生成。另一方面,低或常温 3D 打印提供了创造载有蛋白,生长因子和胶原的复合支架的潜能,达到诱导新骨形成同时提高骨传导和骨诱导特性的组合疗法的功能。

对于 CaPs,HA 是另一种无机材料,广泛应用于几乎所有的 3D 打印技术中,如喷墨直写加工,激光辅助生物打印,选择性激光烧结(SLS),选择性激光熔化(SLM)和机器人辅助沉积。层厚范围为 100 至 300 微米的一种水基粘合剂溶液被认为是用于制备支架的最佳条件,且通过不同的快速成型(RP)技术制备的支架弯曲强度范围为 0.69 至 76.82 兆帕。由 HA 粉末制备的三维陶瓷支架显示出良好的细胞活性及良好的催细胞增殖性能。在发表于 2012 年的一项研究中,在由 HA 经过 3D 打印技术制备并添加了骨形态发生蛋白 -2(BMP-2)的支架中观察到了毛细血管和血管形成,这可以被认为是另一个组合疗法的成功案例。脂肪来源的干细胞与纳米薄片、纳米棒、微纳米复合表面结构共培养后,系统地研究了其粘附,增殖和成骨分化以及血管生成因子的表达。

除了无机材料,合成高分子材料如聚己内酯(PCL),聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物(PLGA),聚乳酸(PLA),聚乙二醇(PEG),聚左旋乳酸(PLLA)和聚丙烯(PP)都广泛在骨科支架的制备中使用,因其具有高度的生物相容性和可降解为进入三羧酸循环的无害副产物。优先的处理方法是熔融沉积模型技术(FDM),另一种是快速成型技术,可通过计算机辅助设计技术(CAD)制作具有复杂形状的支架,精确地模拟皮质骨或松质骨的不同空间尺寸。

喷墨直写加工技术,SLS,立体光刻技术(SLA)和机器人辅助沉积也适用于聚合物。无机材料和聚合物之间在特性和制造方法上存在多样性,由聚合物制成的支架机械强度较低,而生物相容性良好。在一项研究中,通过雌性丹麦长白猪颅骨缺损模型来验证应用 PCL 的效果,结果证实,无任何细胞,生长因子或 BMP 的纯 PCL 支架,可显著诱导骨形成和骨传导效应,以及在体内的支架体积轻微降解,虽然体外骨整合和生物相容性显然不如自体移植物。与其他聚合物支架相比,增加 PCL 支架的渗透率和孔隙体积可提升体内植入的骨再生,血管穿透和抗压强度体内。将 rhBMP-2 和胶原与 PCL / PLGA 支架结合,在兔桡骨缺损模型中发现植入第 8 周时出现最佳骨愈合质量且无炎症反应,同时缓释 rhBMP-2 可持续至术后 28 天。在具有大规模累及全层的大鼠股骨缺损中,一个独特的 PLGA 支架接种了预先体外成软骨分化的 MSCs,显示出优异的骨愈合性能且生物力学强度达到大鼠股骨的 75% 至 100%。

一些常用的材料并没有在本文提及,例如藻酸盐,壳聚糖等等。得益于 3D 打印技术在生物医学的快速发展,联合应用各种材料制备的支架可具有更精确的层厚,孔径,孔隙率和杨氏模量。在低温或正常温度下制作出具有生物活性和机械强度支架已成为现在骨组织工程的研究热门话题。

一般而言,借助材料科学和数控技术的发展,更多种类的生物或合成材料可通过非常不同的 3D 打印技术制作结构、尺寸以及形状可控的骨组织工程移植物。

点击文末链接可查看英文原文。http://www.atmjournal.org/article/view/6414/7208

 

作者|蒋青教授,南京大学医学院副院长,国际骨性关节炎协会(OARSI)常委、中国医师协会骨科医师分会常务委员,师从世界著名的运动医学专家曲绵域教授,从事临床工作多年,临床工作突出,于2015年荣获国家特殊津贴,发表基础研究论文百余篇,其中SCI收录学术论文30余篇。目前主攻方向为人工关节翻修技术、关节软骨修复、关节镜技术,骨关节疾病遗传、骨性关节炎的基础与临床研究等。

译者|雷鹏飞,中南大学湘雅医院骨科,现于哈佛大学医学院的Brigham and Women's Hospital(BWH)的组织工程与生物材料创新研究中心和骨科部的软骨修复中心访学。

 

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——史冬泉, 南京鼓楼医院

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doi:

10.3978/kysj.2014.1.1069
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