導讀：骨骼是一種血管豐富的組織，科學界長期以來一直在討論血管生成與骨愈合之間的聯系，有幾項研究描述了由于缺乏或減少血管生成而導致的骨愈合受損。傳統的移植方法經常導致并發癥，因為植入物的血管供應不足導致整合不良和組織壞死。

      2024年12月26日，來自加泰羅尼亞生物工程研究所 (IBEC) 的研究人員開發了一種新的 3D 打印支架，旨在通過增強血管形成來改善骨骼愈合。研究團隊由再生療法生物材料小組高級研究員 Oscar Castaño 領導，相關研究以題為“Combining three-dimensionality and CaP glass-PLA composites: Towardsan efficient vascularization in bone tissue healing”的論文發表在《生物材料進展》雜志上。他們應用 3D 生物打印技術開發了支持血管生成和血管成熟的聚乳酸和磷酸鈣基玻璃支架。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.bioadv.2024.213985

研究利用 3D 打印技術制作出可精確控制幾何形狀、孔隙率和表面特征的支架。這些結構旨在模仿天然骨骼的組成，既有有機成分，也有無機成分，同時保持營養物質運輸和細胞滲透所需的孔隙率。

△PLAG5*20%支架中的茜素紅染色突出了礦化部位，提供了 3D 大孔隙度及其增強成骨能力的證據。圖片來源：加泰羅尼亞生物工程研究所 (IBEC)

骨骼由非礦化有機部分（主要是膠原蛋白）和礦化無機部分（主要是羥基磷灰石）組成。在這種結構中，需要 3D 孔隙率來確保營養和氧氣的運輸，以及允許血管化、細胞浸潤和廢物清除。研究人員的方法是基于使用磷酸鈣 (CaP) 基玻璃支架來改善聚乳酸 (PLA) 的特性，以獲得一種符合骨組織化學、機械和生物需求的材料。

新型 PLA-CaP 支架可實現充分的血管化，這不僅可以治愈組織，還可以實現有效再生，從而減少或消除骨疤痕。為了制造這些支架，研究人員采用了 3D 打印技術，以精確控制支架的幾何形狀、孔隙率和表面特性。該研究的第一作者Celia Ximenes-Carballo 解釋道：“這種創新方法可以定制模仿天然骨骼結構的支架，這對于增強愈合過程中的細胞浸潤和營養交換至關重要。”

△圖：支架設計和形狀保真度。（a）計劃使用 200 μm 尖端打印的支架設計。（b）不同支架的可打印性指數 (Pr)。右側為打印支架的圖像（頂部）和 Pr 的解釋：Pr 值 =1 定義高形狀保真度，而 Pr 值大于和小于 1 定義封閉或不規則的孔隙。

△圖：支架微孔率取決于 3D 打印時溶劑的置換方式。 (a) 使用不同的溶劑置換方法通過 FE-SEM 對支架表面進行成像（比例尺為 20 μm）。 (b) 支架橫截面（比例尺為 20 μm）。

體外試驗表明，3D 打印支架支持人類間充質干細胞增殖，并刺激血管內皮生長因子的分泌——這是促進血管形成的關鍵因素。此外，支架將鈣離子釋放維持在生理水平，這是支持血管形成的另一個重要因素。

另一方面，使用皮下小鼠模型對支架進行體內測試也顯示出了良好的結果。在植入后僅一周內，支架就表現出良好的整合和明顯的血管浸潤。PLA-CaP 支架特別有效，在四周后顯示出血管成熟度增加，沒有血管退化的跡象。對血管的分析顯示，血管壁最初很薄，但隨著時間的推移變得更厚更穩定。這一進展表明，支架不僅為血管生長提供了初始支持，還為骨再生所必需的持久血管化創造了有利的環境。

“我們相信，我們的 3D 打印支架可以徹底改變我們處理骨再生的方式。通過增強血管化，我們可以顯著改善愈合效果，并降低與傳統移植方法相關的并發癥的可能性。”

——OscarCastaño，IBEC 高級研究員。

這些先進支架的開發凸顯了 3D 打印技術與鈣釋放顆粒等生物活性材料相結合的協同效應。PLA-CaP 支架的結構不僅有利于改善血管形成，而且還支持成骨，為更有效的骨愈合策略鋪平了道路，并有可能降低移植失敗率。