3D打印异种低免疫原性复合骨支架修复颅骨缺损的实验研究

The incidence of bone disorder, caused by abnormalities, trauma, infection or aging population, has increased dramatically and expected to double by year 2020 globally. Bone has a natural tendency to heal itself, however if the bone damage is beyond a critical size, then bone grafting is the preferred intervention. However, most current bone graft strategies including autograft and allograft are limited in supply and suffer high donor site morbidity rate. We will fabricate a novel bone graft composed of natural bone components and polymeric materials to provide an alternative regeneration solution for bone defect clinical treatment. The natural bone component in our bone graft comprises decellularized porcine bone with attenuated immunogenicity, used to initiate bone regeneration. The biodegradable polymeric material will enable our bone graft to be 3D printed and have controllable precise structures. This promotes cellular ingrowth and nutrient mass transfer between graft and tissue surrounding the defect. We will mix these two materials together and form the bone graft through 3D printing technology. The mechanical property and cytotoxicity of this graft will also be examined. Sequentially, these grafts will be implanted into rabbit cranial defect models so as to verify its effectiveness and safety. The new bone formation will be evaluated qualitatively and quantitatively. The main objective of our proposed research is to develop a composite bone graft fabricated by xenobone with attenuated immunogenicity and polymer for bone defect reconstruction. The bone graft developed is intended for use in patients undergoing personalized bone defect healing to expedite the bone defect reconstruction efficiently and safely. This will taken a solid first step on xenotransplantation.

由于畸形、肿瘤、感染及老龄化社会的到来，骨相关疾病增长速度非常快，预期在2020年全球的数据会翻倍。骨组织虽然具有自我修复的能力，但是在骨损失超过一定的临界尺寸时，就需要通过骨移植来干预。目前普遍采用的自体或异体移植存在牺牲正常组织和供体不足的问题。本课题采用组织工程学和3D打印的基本原理，选取低免疫原性脱细胞猪骨材料和高分子聚合物为原料制备新型复合骨修复材料支架。此支架既保留了骨天然成分（如胶原蛋白、矿物质等），有利于骨修复，又可通过3D打印系统精确控制支架结构，促进细胞和营养的渗透有利于新生组织的生成。本课题将对低免疫原性脱细胞骨复合材料和应用此材料3D打印的多孔骨修复支架进行理化性能、细胞相容性、生物安全性及动物骨缺损修复能力等方面的评估。通过本项研究，将构建新一代安全高效、低免疫原性、个体化的骨缺损修复支架，为异种骨修复材料进入临床应用提供理论和实验依据。

骨相关疾病在临床上具有极大的挑战，在骨细胞（成骨细胞、破骨细胞和骨细胞）介导的动态平衡状态下，骨组织具有自我修复能力，但当缺损范围过大时，骨组织无法完成自我修复，骨移植替代物就成为重要选择。细胞外基质（ECM）主要由胶原和蛋白多糖组成，在细胞增殖、迁移和分化过程中起着关键作用，加快组织修复进程。低免疫原性脱细胞骨粉（DCB）中保留了天然组织的细胞外基质成分，在支架材料中掺入DCB成分，即使在没有其他成骨因子的情况下，DCB也能起到显著促进干细胞的成骨作用。聚己内酯（PCL）作为一种粘合剂，是用于组织工程与再生医学中常用的一种生物可降解的高分子材料。其独特的热塑性易加工成型，并具有良好的生物相容性。但其降解速度慢、润湿性差、细胞粘附能力低，在组织工程应用中，更倾向于结合细胞外基质或其他材料。DCB正是一种由羟基磷灰石和胶原、生长因子等有机基质组成的天然ECM生物材料，具有增强PCL支架骨诱导活性，促进干细胞粘附、增殖、向成骨细胞分化。本研究着重构建低免疫原性复合骨修复材料支架，对不同浓度DCB-PCL支架进行力学表征，结果显示支架力学性能与DCB浓度含量呈正相关性，在DCB为35%时，支架机械力学性能最优，高于35%后，其力学性能下降。体外细胞毒性检测，可观察到支架材料可促进细胞大量增殖，并且35%DCB组对细胞的促进作用要优于其他浓度的支架材料，再通过其对干细胞成骨分化相关基因的表达量分析到随培养时间的延长，不论成骨中期相关指标还是晚期指标，复合支架材料组的促成骨效果最优，且高骨粉含量组（35%DCB）促成骨效果最明显。构建大鼠颅骨原位缺损修复实验，经培养，由于PCL支架材料占位严重，无法将骨缺损部位完全修复至界限光滑，但加入DCB组的修复效果明显优于纯PCL支架材料，具有部分新骨形成，从骨密度及新生骨体积的比价来看，也是验证了这一结果。