供稿人：姜泽鑫、孙畅宁 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2025-04-24
关节软骨缺损是骨科手术中一个突出的临床难题，也是导致残疾的一个主要原因。然而，由于软骨具有无血管性质和独特的结构特征，受损软骨的再生潜力明显受到限制，尤其是大面积软骨缺损的再生极具挑战性。而三维打印技术凭借可以精确控制尺寸、形状和结构等因素，已成为以省时、经济的方式生成患者特异性组织缺损再生的基石。
之前的研究表明，与非结构化支架相反，分层结构的 3D 打印支架独特地调节了各种组织再生过程，包括免疫反应、血管生成和干细胞归巢。而锶（Sr）在骨再生治疗中得到了广泛应用，已被证明具有增强软骨细胞增殖和成熟、诱导巨噬细胞 M2 极化并促进人骨髓来源的间充质干细胞的软骨形成分化的作用。但是，全面了解锶对同时调节骨软骨缺损中软骨和骨修复的治疗作用的研究还很少。因此，檀国大学组织再生工程研究所的程吉丽及其团队将聚己内酯 (PCL)、生物活性纳米玻璃 (SrBGn)和冰片（一种造孔剂）的混合物进行逐层 3D 打印，形成一种具有宏观孔隙、微观孔隙和纳米拓扑结构的层次结构，且该支架可以持续释放锶/硅/钙离子，为开发用于骨软骨缺损修复提供了一种有前途的策略。
图 1 分层结构 3D 打印支架与锶掺杂生物活性纳米玻璃复合的制备和特性。a)拟议的复合支架（简称 SrBGn-μCh）示意图。SrBGn（顶部）和 BGn（底部）（比例尺= 300 nm）的代表性 FESEM 图像。c)物理性质。d) 测量 SrBGn 和 BGn 元素比的 EDS 分析。e)FESEM 图像显示了不同尺度上支架的分层结构，以及揭示互连微通道的横截面。f)通过 AFM 测量的 SrBGn-μCh 顶部和底部的三维图像。g)基于(f)的表面粗糙度量化（n=4个支架）。h)氢氧化钠处理前后支架的水接触角测量
为了制备这种支架，首先使用了溶胶-凝胶法合成生物活性纳米玻璃SrBGn，在该方法中，Sr、Si 和 Ca 前驱体在水和氢氧化铵混合物中通过静电相互作用与十六烷基三甲基溴化铵 （CTAB） 形成胶束。乙氧基乙醇稳定了胶束的形成，促进了缩聚和中孔的产生。然后在丙酮中制备由 PCL、SrBGn 和莰烯组成的复合溶液，并在乙醇浴中进行3D打印。由于 PCL 的良好溶剂丙酮和非溶剂乙醇之间的相分离，复合丝迅速凝固。随后，将复合支架冻干，通过升华去除莰烯，从而在支架内形成高度多孔的结构。
图2 a)软骨修复的大体外观。b)在移植后第20周对再生软骨进行H&E、Masson、Safranin O和 II 型胶原蛋白染色的图像。c)通过 MT 染色定量分析总胶原蛋白的阳性染色区域，通过免疫染色对 II 型胶原蛋白进行定量分析。将面积（%）标准化为完整组以进行比较（n = 4 只动物）。d)评估细胞环状（来自 4 只动物的n = 11个细胞）和细胞聚集（来自4只动物的n = 6个视野）的细胞形态学分析。e) 显微 CT 图像（左）显示植入后第 10 周缺损中再生的软骨下骨（比例尺 = 1 mm（顶部）和 250 μm（底部））。新形成的骨组织区域以红色突出显示。骨体积/组织体积 （BV/TV） 分析（右）量化了再生程度（n = 5 只动物）。**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001
作者团队通过体内和体外实验均证实了该支架的关键功能即软骨修复性能，SrBGn-μCh在植入20周后内缺损部位已与周围健康组织无缝整合（图2a），染色图像、细胞环状和聚集评估图以及显微CT图像等也进一步表明其修复功能最强。表明所研究的支架在骨缺损修复过程中的骨和软骨修复均具有良好的结果。
以PCL为支架的主要材料，用于提供机械强度和可降解性，辅之生物活性纳米玻璃SrBGn，作者团队开发了一种具有离子释放和分层结构的骨软骨修复支架，为软骨修复提供了一种新的途径。