兼具血管化和神经化再生微环境调控作用的3D打印复合多孔支架在骨缺损修复中的应用及机理研究

The treatment of segmental bone defect, which is strictly related to the vascularization and neurotization, is still a challenging scenario in the orthopaedic clinic. Current interventions, such as bone grafting, delivery of growth factors, and tissue engineering-based neurovascularization strategy, are restricted by their high technical demanding and potential side effects. Therefore, developing a new strategy to facilitate neurovascularization is still considered important. Hence, in this research, a novel TE-based (tissue engineering) neurovascularization strategy involving the fabrication of heterogeneous composite porous scaffold containing microporosity and nanoporosity is proposed. Owing to the different requirements of endothelial cells and neuronal cells on stiffness and porosity, the stiff bio-ink composed of cobalt microparticles and the soft bio-ink composed of magnesium nanoparticles will firstly be fabricated, and then the heterogeneous composite scaffold will be printed by 3D-Bioplotter. Upon the controlled releasing of particles, the cell-specific regenerative microenvironment for endothelial cells (Co2+-enriched & stiff vasculature with microporosity) and neuronal cells (Mg2+-enriched & soft vasculature with nanoporosity) will be created within the same heterogeneous composite scaffold, with which the synergetic regeneration of blood vessels and nerve fibers is achieved. Subsequently, the heterogeneous composite scaffold will be infused by endothelial cells and neuronal cells respectively, and the neurovascularized tissue engineering scaffold will finally be fabricated. This method will offer a new strategy for the treatment of segmental bone defect, and deepen the understanding of the synergetic effect of vascularization and neurotization in bone regeneration, and thus benefits the treatment of other clinical challenging scenarios in orthopaedics.

大段骨缺损的治疗目前仍是骨科临床难题，研究发现修复过程中血管和神经的同步再生起着至关重要的作用。目前，植骨、使用生长因子和组织工程等方法可实现血管化，但对于血管和神经同步再生策略的研究则相对滞后，因此，本项目拟在前期研究基础上，开发一种基于微/纳孔中空结构且组份异质的复合多孔支架构建神经血管化组织工程支架材料的新策略：介于内皮细胞与神经元细胞对支架材料孔径及韧性有不同要求，申请人利用3D打印技术制备兼具微米级镁粒子掺杂刚性管路和纳米级钴粒子掺杂柔性管路的异质支架，粒子释放后，可在同一支架结构内分别形成适合内皮细胞（钴离子富集&微孔刚性管路）和神经元细胞（镁离子富集&纳孔柔性管路）的再生微环境，可实现神经血管的伴生；在此基础上，配合细胞灌注和培养可制备神经血管化组织工程支架材料，为大段骨缺损提供新的治疗策略，并深化对血管和神经协同效应在骨修复中作用机理的了解，为骨科其他疑难杂症的治疗提供参考

大段骨缺损所诱发的延迟愈合、骨不连以及由创伤导致的股骨头坏死均是骨科临床中的常见难题。最新的研究发现，骨骼中不但拥有一个高效的动静脉血管系统，还拥有非常丰富的微小血管系统，愈发凸显血管再生对骨缺损修复的重要性。因此，现有传统的治疗手段通过激发细胞的活性及分化能力来促进或者加速骨组织的修复与再生的策略，在面对因血供受阻而缺乏主动再生能力的环境时，则显得力不从心。考虑到血管与神经在体内的紧密关联性，本项目拟通过开发一种具有微环境调节功能的复合多孔支架材料重建局部再生微环境，并实现：1）既可以通过局部微环境调控促进骨修复再生；2）又可以通过促进血管和神经的伴生来激发因血供受阻而缺乏主动再生能力的骨缺损实现骨再生，从而建立起一种不依赖或少依赖生长因子，而是依靠模拟自然再生过程中的微环境，来达到增强受损部位血供进而实现组织修复的新策略。我们通过三部分的工作进行了验证：1）在第一部分研究中，我们通过无机镁元素改性的异体骨证实了通过镁元素微环境构建，可以有效促进骨修复再生；2）在第二部分研究中，我们通过生物无机元素粒子掺杂的刚性PCL墨汁和基于羊膜凝胶的柔性材料进行了3D打印复合支架材料的制备，大鼠股骨外上髁模型表明该策略并未能实现通过血管与神经的伴生促进骨缺损修复的功效；3）在第三部分研究中，我们通过刚性PCL和柔性DeECM凝胶制备出一种复合多孔支架材料，该支架材料具有构建生物介导微环境的能力，我们发现，通过构建生物介导组织微环境，重构成骨祖细胞和内皮细胞之间沟通的动态平衡，可以实现由血管和神经伴生介导的骨修复再生，揭示了type-H血管与CGRP之间的关联，研究有望为type-H血管的形成提供一种新的理论依据，同时，也为基于单纯血管化骨修复再生策略揭示出新的探索方向。