新型生物活性墨水原位打印原位诱导骨再生研究

In the field of bone regeneration with 3D printing, it is key point to develop a bioink system with excellent biological activity of bone regeneration, i.e. induce biomimetic mineralization, osteogenesis, angiogenesis in situ and in situ bioprint on bone defects..On the basis of long term study of biomimetic material and 3D printing, analyzing precise data of bone defects from live operation, this project aims to print biomimetic bone matrix material that has similar micro-nano hierarchical structure to natural bone with excellent osteogenic and vascularization ability. Our innovative bioprinting material is made up of demineralized bone matrix (DBM) and small intestinal submucosa(SIS) loaded with BMP2 and VEGF respectively, which were modified by the placenta growth factor-2 peptide with super-affinity to extracellular matrix. The material will be printed through the Assisted Microsyringe (MAM)and the Pressure Assisted Microsyringe (PAM). This project will promote messenchymal stem cells migration, proliferation and differentiation with the abundant cytokines of the active boink (BMP2-DBM/VEGF-SIS), which induces stem cell recruitment, osteogenesis and vascularized differentiation in situ and promotes self-assembled mineralization of the nano-hydroxyapatite/collagen so as to achieve the bone regeration.

如何构建适于骨修复的生物活性墨水、能原位诱导仿生矿化及干细胞成骨/成血管分化，如何在缺损区原位实时打印，是当前骨缺损修复3D打印研究亟待解决的关键问题。.本项目拟在长期从事骨仿生材料和3D打印的基础上，以源于天然的有良好成骨活性的脱钙骨基质(DBM)和成血管活性的小肠粘膜下层脱细胞基质(SIS)为生物墨水，以具有超强细胞外基质结合能力的胎盘生长因子短肽，高效负载骨形态发生蛋白2(BMP2)和内皮细胞生长因子(VEGF)，运用我校领先的多喷头低温沉积和气动微喷射3D打印技术，术中精准测量骨缺损区真实数据后，原位实时打印，克服术前体外打印人工骨预构体的常规思路周期长、与术中实际缺损匹配差的缺点。本项目通过分子设计赋予生物墨水更好的生命力，通过其蕴含的分子信号，自下而上原位诱导纳米晶羟基磷灰石自组装矿化、原位诱导间充质干细胞迁移和定向成骨/成血管分化，实现骨微纳分级结构的仿生和良好骨缺损修复。

如何研制出与天然骨类似的具有良好骨诱导/成血管活性的仿生骨基质材料，一直是骨再生领域亟待解决的关键问题。生物3D打印作为近年来受到极度关注的增材制造技术，因其“快速制造、定制化打印结构及生物活性成份”的生物制造理念和独特优势备受青睐。然而，传统的打印墨水从材料学上都只是简单复制制造，并未达到天然骨结构和功能上的仿生，无法有效发挥骨诱导和成血管功能。.因此，本项目在长期从事仿生骨材料和3D打印研究的基础上，主要探究了以源于天然的具有良好成骨/成血管能力的小肠粘膜下层脱细胞基质（SIS）作为生物活性墨水的可行性及有效性，通过筛选比较不同的脱细胞方法获得最佳理化性能的SIS，然后将SIS单独或与生物活性玻璃、煅烧骨、PLA等复合应用于骨组织工程，明确SIS促骨再生的作用及机理；在此基础上，为保证细胞外基质墨水的可打印性及生物活性，进一步优化打印工艺及设备，搭建了新型低温挤出打印平台，并以具有良好生物相容性和机械强度的聚己内酯（PCL）作为墨水，构建三维多孔PCL基材;另外，将具有超强细胞外基质结合能力的短肽PlGF-2122-134修饰并负载BMP2及其相关肽P24/P28以提升SIS的骨诱导性。.结果表明，SIS经合适的脱细胞处理（Badylak’s 法）可保留多种活性成分包括胶原蛋白、糖蛋白、粘多糖和生长因子（VEGF、TGF-β、FGF、IGF-1），具有良好的生物相容性、可降解性和生物活性，其作为生物膜可有效引导骨再生，而充分溶解后可顺利成胶或与多种材料等复合，实现原位诱导成骨/成血管及骨缺损修复；利用低温挤出打印技术成功构建出可降解的三维多孔PCL活性基材，其作为框架具有良好的生物相容性和一定的机械强度，为SIS活性墨水的低温3D打印提供了技术保障；另外，引入PIGF短肽极大地提升了SIS对BMP2及其相关肽P24/P28的高效负载及控缓释，可有效增强SIS的成骨能力。.综上，本项目不仅证实了SIS在骨组织工程中应用的巨大潜力，还为SIS乃至其他细胞外基质墨水的生物3D打印提供借鉴，在一定程度上解决了目前生物打印存在的瓶颈问题，具有一定的科学意义和临床应用前景。