3D打印结合细胞片层技术构建“阵列式”组织工程骨修复大面积颌骨缺损的可行性研究

Currently, the poor treatments of major mandible defects urge new clinical techniques to meet the tremendous physical and psychological needs of patients. After we systematically analyze the research status of mandible tissue engineering , we put forward a kind of " Matrix " bone reconstruction strategy innovatively based on tissue engineering " three elements " ( seed cells , scaffolds , cells and scaffold interactions ), which is according to the natural bone structure and bone repair mechanism. The " Matrix " mode combines two techniques, 3D printing and cell sheet. 3D printing is applied to prepare scaffold shell for simulating cortical bone and plain plates simulating cancellous bone, respectively. When loaded cell sheets, such plates are inserted in the shell parallelly to form tissue engineered bone. The resulting bone is submitted to implantation into major mandible defect model of a New Zealand white rabbit and assessments for repairing the defects. Generally, 3D printing scaffolds have good mechanical properties, and the cell sheets can improve cellular nutrition and signaling delivery. The combination is expected to put a new path for the mandible bone tissue engineering.

目前，大面积颌骨缺损的治疗效果不佳，急待新的临床技术以满足病人巨大的生理和心理需求。我们在系统地分析了颌骨组织工程研究现状之后，按照骨的天然结构和骨修复理论，以组织工程“三要素”（种子细胞、支架材料、细胞和支架的相互作用）为线索，创新性地提出了一种“阵列式”组织工程骨的构建策略。“阵列式”的组装模式结合了3D打印和细胞片层两种技术，通过3D打印分别制备模拟骨密质的支架外壳箱体和模拟骨松质的支架内核片板，进而片板装载着一个个细胞片层并排插入箱体，所得的组织工程骨再移植入新西兰白兔下颌骨大面积缺损模型，进行全面的骨缺损修复评价。3D打印合成的支架材料通常具有良好的机械性能，而细胞片层能改善细胞间的营养输送和信号传递，两者的结合有望为颌骨组织工程研究探索出一条新的途径。

现阶段越来越多的学者寄望于骨组织工程来修复复杂的骨缺损。理想的骨组织工程支架不仅需要具有良好的材料学和生物学性能，也需要与不规则骨缺损在解剖结构上贴合。因此，如何制作出与不规则的骨缺损形态一致的骨组织工程支架是研究的热点。随着增材技术的发展，复杂模型的成形已不再困难。选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）技术是增材技术的一种，具有原料丰富、成本低、工艺简单的特点。本研究以环氧树脂(Epoxy resin, EP)为粘接剂，采用选择性激光烧结技术制作了双相磷酸钙（biphasic calcium phosphate, BCP）骨组织工程支架的初坯，再通过烧结得到最终的双相磷酸钙的支架。为了探究粘接剂比例对支架性能的影响，我们分别在BCP和EP的比例为65/35、60/40、 55/45、50/50时制作了BCP支架（S1，S2，S3，S4），并且对其材料成分、表面形貌、孔隙率以及机械强度进行了比较。我们的结果表明，粘接剂的比例虽然不会影响材料的成分，但却会显著材料的结构特征，如材料的孔隙率和机械强度等。粘接剂比例的升高会使得支架的孔隙率变大，且机械强度增强。由于支架的结构会影响支架的生物学性能，我们进一步研究了不同组别支架在细胞粘附与生长和成骨诱导作用方面的差异。我们的研究结果表明不同组别支架在生物学功能上确实具有差异，S4的生物学性能最好，相比于其他三组支架，其更利于细胞的粘附和生长，且促进成骨向分化的作用最明显。基于以往学者的研究，我们认为不同组别支架在生物学性能上的差异是由其结构不同所致。有研究表明，MAPK信号通路可能介导了结构不同所引起的生物学效应差异。为了研究相关的信号通路，我们对MAPK信号通路主要三个部分 JNK和p38、ERK进行了检测。我们的研究结果表明ERK信号通路在结构不同所引起的生物学效应差异中发挥了重要作用。最后，我们通过兔的颅骨缺损模型进一步验证了结构不同的支架会显著影响其生物学性能。总之，我们的研究结果表明粘接剂比例确实会影响到SLS制作的BCP支架的结构，并且会影响其生物学性能。当BCP和EP的比例为50：50时，SLS制作的BCP支架具有更好的生物应用潜力。