超临界尺寸的骨缺损再生与重建仍是当前骨科临床面临棘手问题，主要受限于内源性细胞固有再生能力。物理微形貌以一种稳定而有效的方式，可使生物材料具有更强的骨传导性，引导细胞生长并修复超临界骨缺损。然而，如何在三维多孔支架中通过微表层物理结构调控促进骨传导仍具有挑战。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院医药所阮长顺团队提出了一种受石屋启发的3D打印策略，以构建具有可调微形貌的微球3D图案化支架，用于加速骨再生。以聚（乳酸-co-乙醇酸）微球为“石头”，和海藻酸基水凝胶为“黏土”的定制复合生物墨水，通过3D打印构建具有稳定、可调的凹-脊微结构的组织工程支架。由于这种表面微结构，微球图案化支架能调节免疫反应，显著促进细胞募集、血管生成和骨生成，为组织工程与再生医学等领域提供新的思路（图1）。相关研究成果题为“A Stone-cottage-inspired Printing Strategy to Build Microsphere Patterned Scaffolds for Accelerated Bone Regeneration”发表在权威刊物Advanced Functional Materials上（Adv. Funct. Mater. 2024, 2417836）。
图1. 具有凹-脊微结构的微球图案化支架加速骨再生的示意图。
图2. 基于“Stone & Mortar”复合墨水及微球图案化支架的表征。
为了实现受石屋启发的3D打印策略的概念，制备了具有C=C键修饰的PLGA（U-PLGA）微球和AlgMA水凝胶两种生物材料分别作为“stone”和“Mortar”，复合墨水通过紫外光固化后能够实现“stone”和“Mortar”之间的结合（图2）。由于U-PLGA微球表面的羰基和AlgMA水凝胶的羟基之间形成了氢键，因此添加U-PLGA也会增加墨水的粘度。同等质量下大直径微球的相对比表面积更小，墨水中氢键密度和粘度随着U-PLGA微球直径的增加而降低。同时，添加U-PLGA微球提高了3D打印支架的成型性和结构稳定性。
图3. 可调微形貌的微球图案化支架表征。
通过改变微球直径可调节AU-PLGA支架表面微结构和粗糙度，微观结构的粗糙度随着微球直径的增加而增加，凹-脊微观结构的宽度（W）由微球的直径决定（图3）。弹性可变形的AlgMA水凝胶中的添加U-PLGA微球可以将载荷从各向同性转变为各向异性，从而有效地分散应力并耗散能量，降低支架压缩模量。
图4. 微球图案化支架的体外生物学评估。
AU-PLGA支架表现出更好的细胞募集能力，BMSCs可以聚集在AU-PLGA支架的凹-脊微观结构上，而在AlgMA支架表面未观察到细胞（图4）。同时，AU-PLGA支架促进细胞粘附和增殖，调节细胞迁移和生长。在早期阶段，由于粗糙度和模量较高，细胞更喜欢粘附在具有较大W的支架上，随着时间的推移，凹-脊微观结构充当屏障，细胞增殖和扩散在较小W的支架上更快，表面粗糙度主导了3D支架对后期细胞行为的影响。
图5. 小鼠皮下植入后细胞募集的体内分析。
支架植入后，免疫反应是身体与支架之间细胞相互作用的初始阶段。AU-PLGA支架微观结构表现出更好的细胞浸润性，细胞通过凹-脊微观结构浸润到AU-PLGA支架内部，而在AlgMA支架内没有观察到细胞浸润，因为没有细胞浸润的粘附位点（图5）。同时，U-PLGA微球直径越小，支架募集促再生M2型巨噬细胞更多。
图6. 支架植入兔颅骨缺损12周后骨再生的体内分析。
AU-PLGA支架表现出更好的骨传导及促骨再生修复能力。AU-PLGA支架增强骨再生能力显著优于AlgMA支架，并且随着AU-PLGA支架中微球直径的减小而显著增加（图6）。此外，AU-PLGA支架中新生骨体积分数（BV/TV）、新骨矿物质密度（BMD）和新骨表面积（BS）、小梁的数量（Tb.N）、小梁连接密度（Conn.D）和新骨形成的连接也随着微球直径的增加而减少。与 55μm 和 85μm 相比，25μm 宽的凹-脊微结构在修复骨缺损方面显示出更优的骨传导作用。从机理上讲，虽然细胞在早期阶段更喜欢粘附在宽度较大、模量较高的凹-脊微结构上，但后期这种凹-脊微结构也成为细胞生长的屏障，而宽度较小的微结构在后期阶段更有利于细胞的交流和分化。
中国科学院深圳先进技术研究院阮长顺研究员论文通讯作者，博士生陈志刚为论文第一作者，深圳先进院为唯一通讯单位。该项目获得国家重点研发计划、国自然基金、广东省自然科学基金、深圳市基础研究基金及深圳市医学研究基金等项目资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417836
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