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學術分享 I 關于3D打印定向冷凍凝膠纖維復合支架促進骨再生的研究

發(fā)布時間:2025-10-23   瀏覽量:   分享到:

sciadv.adk6722.pdf 論文解讀(定向冷凍凝膠纖維復合3D打印支架促進骨再生)

一、研究背景

大面積顱骨缺損修復是臨床長期面臨的難題,目前常用解決方案包括自體血管化骨移植、聚醚醚酮(PEEK)顱骨植入物及鈦/鈦合金網(wǎng),但這些方法存在顯著局限性:

  • 自體血管化骨移植:雖為臨床金標準,但存在移植物與缺損輪廓不匹配導致美觀性差、長期吸收引發(fā)輪廓不規(guī)則需二次修復,且供區(qū)疼痛與感染風險高的問題;
  • 合成植入物(PEEK、鈦網(wǎng)):雖避免供區(qū)損傷,但并發(fā)癥率高(暴露、感染需移除)、剛性導致不適,且非降解性與致密結構限制骨整合,易引發(fā)植入失?。?
  • 現(xiàn)有生物降解材料(如膠原海綿):雖具備多孔結構利于細胞浸潤,但缺乏固有骨誘導性,且降解速度快于新骨形成,易導致類骨質(zhì)吸收,難以平衡降解與骨長入、機械性能及生物活性不足。

研究團隊前期開發(fā)的聚己內(nèi)酯靜電紡納米纖維支架(3D定向拓撲結構)雖實現(xiàn)高效細胞募集與快速骨再生,但3D打印支架普遍存在細胞接種效率低、無法誘導細胞遷移的問題。因此,亟需開發(fā)兼具高效細胞募集、血管化促進及骨分化調(diào)控能力的新型骨修復支架,以解決大面積顱骨缺損的再生難題。

圖1:定向冷凍凝膠纖維(ACFs)復合3D打印支架通過增強細胞募集與功能促進骨再生的機制

A:ACFs復合3D打印支架(PS/ACFs)的制造流程:通過3D打印結合定向冷凍鑄造技術將ACFs嵌入3D打印支架,實現(xiàn)細胞募集與組織趨向性(紅色箭頭示細胞募集,橙色箭頭示ACFs在顱骨缺損中的作用);

B:KP肽(骨形態(tài)發(fā)生蛋白2模擬肽)與QK肽(血管內(nèi)皮生長因子模擬肽)功能化的PS/ACFs支架促進大鼠臨界尺寸顱骨缺損修復的機制(藍色箭頭示新生膠原纖維方向,綠色箭頭示骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSCs)的成骨分化);

注:Gel-MA為甲基丙烯?;髂z,PS為3D打印支架,BMSC為骨髓間充質(zhì)干細胞。

二、研究內(nèi)容

2.1 核心支架設計:定向冷凍凝膠纖維(ACFs)復合3D打印支架

研究提出“結構引導-功能調(diào)控”雙策略,設計并制備含垂直定向冷凍凝膠纖維(ACFs)且經(jīng)QK肽(促血管)與KP肽(促成骨)修飾的復合3D打印支架(PS-KP500/ACFs-QK500),制造流程如下:

  1. 3D打印支架(PS)制備:采用5wt%甲基丙烯酰化明膠(Gel-MA),通過3D生物打印制備晶格支架,紫外光交聯(lián)固化后凍干,獲得無色透明的晶格結構;
  2. ACFs嵌入:將凍干PS浸泡于0.18wt% Gel-MA與0.02wt%明膠混合液中,轉移至-80℃預冷不銹鋼板進行定向冷凍與化學交聯(lián)24小時,凍干后支架孔洞內(nèi)填充白色垂直定向纖維(對比隨機冷凍凝膠纖維(RCFs)無定向冷凍步驟,纖維呈水平分布);
  3. 肽功能化修飾:ACFs表面共軛500μg/ml QK肽(促血管生成),3D打印支架表面共軛500μg/ml KP肽(促成骨分化),最終獲得雙肽修飾的復合支架。

圖2:不含/含ACFs的3D打印支架形貌特征

A:通過3D打印結合冷凍鑄造制備ACFs復合3D打印支架的流程示意圖(UV為紫外光);

B:PS與PS/ACFs凍干前后的宏觀外觀(凍干后PS/ACFs孔洞內(nèi)填充白色纖維);

C:PS與PS/ACFs的掃描電鏡(SEM)圖(俯視圖與橫截面),可見PS/ACFs孔洞內(nèi)充滿垂直定向纖維,PS無纖維填充;

D:ACFs的偽彩色圖(示纖維取向角度分布);

E:ACFs的取向角度分布(中位角度近90°,呈高度垂直定向);

F:ACFs的直徑分布(1-5μm,均值2.46±0.86μm);

注:Oct為最佳切割溫度化合物。

2.2 支架的理化性能與細胞募集能力

(1)理化性能

  • 機械性能:濕態(tài)PS/ACFs的楊氏模量高于純PS,最大應變略低于PS,兩組最大應力無顯著差異,滿足骨修復的力學需求;
  • 溶脹與降解:凍干PS與PS/ACFs在37℃磷酸鹽緩沖液(PBS)中1小時內(nèi)達到溶脹平衡;在0.05%膠原酶溶液中3小時內(nèi)完全降解,降解速度可控;
  • 纖維結構:ACFs呈高度垂直定向(角度近90°),RCFs呈隨機分布且垂直于孔洞壁,ACFs直徑1-5μm,利于細胞遷移。

(2)細胞募集能力

圖3:ACFs復合3D打印支架的體外細胞接種效率與體內(nèi)細胞募集能力

A:(i)PS、PS/RCFs、PS/ACFs的體外細胞接種與黏附示意圖;(ii)大鼠皮下植入模型評估PS/ACFs的體內(nèi)細胞募集與組織長入示意圖;

B-C:共聚焦顯微鏡3D圖像與SEM圖(人臍靜脈內(nèi)皮細胞(HUVECs)接種24小時后):PS僅表面黏附細胞(深度<200μm),PS/RCFs細胞遷移至300μm深度,PS/ACFs細胞遷移至600μm深度,且細胞優(yōu)先附著于纖維區(qū)域;

D:CCK-8檢測(24小時):PS/ACFs與PS/RCFs的細胞黏附量為PS的2倍;

E-G:蘇木精-伊紅(H&E)染色與半定量分析(皮下植入1、2周):PS/ACFs的Gel-MA晶格間隙內(nèi)浸潤細胞更多,ACFs區(qū)域新生組織密度顯著高于PS的空白區(qū)域,且無纖維囊形成;

H-I:三色染色(2周):PS組新生細胞外基質(zhì)(ECM)纖維隨機排列,PS/ACFs組呈有序排列(與ACFs方向一致),偽彩色圖與角度定量驗證PS/ACFs組膠原纖維取向一致性更高;

注:*P<0.001,****P<0.0001,ns為無顯著性差異。

關鍵結論:ACFs通過定向拓撲結構引導細胞深度遷移(達600μm),顯著提升細胞接種效率與體內(nèi)組織長入,且誘導新生ECM纖維定向排列,為骨再生提供結構基礎。

2.3 肽功能化支架的促血管與促成骨性能

(1)KP肽修飾支架(PS-KP)的促成骨性能

圖4:KP肽功能化3D打印支架(PS-KP)的促成骨性能

A:PS-KP的制備流程與裸鼠皮下異位成骨模型驗證示意圖(n=5);

B:Micro-CT 3D重建圖(4周):PS-KP500組(500μg/ml KP肽)可見明顯新生骨,PS、PS-KP250(250μg/ml)、PS-KP750(750μg/ml)組幾乎無新生骨;

C:Micro-CT軸位、矢狀位與冠狀位圖像:PS-KP500組新生骨呈與支架一致的晶格形態(tài);

D-G:定量分析(4周):PS-KP500組的骨體積分數(shù)(BV/TV)、骨表面積分數(shù)(BS/TS)、骨小梁數(shù)量(Tb.N)、骨小梁厚度(Tb.Th)顯著高于其他組;

H:三色染色(4周):PS-KP500組類骨質(zhì)基質(zhì)呈團塊狀分布,其他組僅少量或無類骨質(zhì);

I-J:骨橋蛋白(OPN)免疫組化染色與半定量:PS-KP500組OPN表達最高,顯著高于PS-KP750組;

注:*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001,****P<0.0001,IOD為積分光密度。

體外實驗顯示:PS-KP各組的大鼠BMSC(rBMSC)堿性磷酸酶(ALP)活性、ALP/OPN/骨鈣素(OCN)基因表達均高于純PS;體內(nèi)異位成骨實驗證實500μg/ml為KP肽最佳濃度,可顯著促進類骨質(zhì)形成與骨標志物表達。

(2)QK肽修飾支架(PS/ACFs-QK)的促血管性能

圖5:QK肽功能化PS/ACFs(PS/ACFs-QK)的促血管性能

A:PS/ACFs-QK的制備流程與大鼠皮下植入模型評估示意圖(n=4);

B:三色染色(2周):新生血管數(shù)量隨QK肽濃度(100-500μg/ml)增加而增多;

C:新生血管數(shù)量定量:PS/ACFs-QK500組(500μg/ml)顯著高于其他組;

D-E:CD31免疫組化染色與血管面積定量:PS/ACFs-QK300(300μg/ml)與QK500組新生血管面積高于PS與QK100組,且QK500組高于QK300組;

注:*P<0.05,***P<0.001,ns為無顯著性差異。

結果表明:500μg/ml為QK肽最佳濃度,可通過模擬血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)功能,顯著促進皮下植入?yún)^(qū)域的新生血管形成,為骨再生提供充足營養(yǎng)。

2.4 雙肽復合支架在大鼠臨界尺寸顱骨缺損中的骨再生效果

圖6:雙肽功能化PS/ACFs在大鼠臨界尺寸顱骨缺損模型中的骨再生能力(Micro-CT分析)

A:實驗支架(PS-KP500/ACFs-QK500)與膠原海綿(陽性對照)植入大鼠8mm直徑臨界尺寸顱骨缺損的示意圖(n=5);

B:X線原始圖像(4、8周):PS-KP500/ACFs-QK500與膠原海綿組的缺損區(qū)域新生骨多于對照組;

C-D:Micro-CT 3D重建圖與冠狀位圖像(4、8周):PS-KP500/ACFs-QK500組8周時新生骨體積與分布更優(yōu);

E-F:定量分析(4、8周):4周時兩組骨體積分數(shù)(BV/TV)與表面覆蓋率無顯著差異;8周時PS-KP500/ACFs-QK500組顯著高于膠原海綿組;

注:*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001,ns為無顯著性差異。

圖7:4周治療后骨再生的組織學觀察

A-B:H&E與三色染色(n=5):PS-KP500/ACFs-QK500與膠原海綿組缺損區(qū)域可見更多新生骨(NB)有機基質(zhì),對照組極少;PS-KP500/ACFs-QK500組檢測到垂直定向膠原纖維(由ACFs引導),且纖維內(nèi)形成脫鈣有機骨基質(zhì);

C-F:缺損邊緣與中心區(qū)域新生軟組織的三色染色與角度分布:對照組與膠原海綿組膠原組織水平排列,PS-KP500/ACFs-QK500組呈垂直排列;

注:NB為新生骨,C為膠原海綿,PS為3D打印支架。

圖8:8周治療后骨再生的組織學觀察

A-B:H&E與三色染色(n=5):8周時PS-KP500/ACFs-QK500組缺損區(qū)域新生有機骨基質(zhì)最多,且支架區(qū)域(PS)被新生骨包裹;

C:免疫組化染色(CD31、OCN、OPN、RUNX2):PS-KP500/ACFs-QK500組的血管標志物(CD31)與成骨標志物(OCN、OPN、RUNX2)表達最高;

D-G:積分光密度定量:PS-KP500/ACFs-QK500組的CD31、OCN、OPN、RUNX2相對表達量顯著高于膠原海綿與對照組;

注:*P<0.05,**P<0.01,****P<0.0001,RUNX2為 Runt相關轉錄因子2(成骨關鍵轉錄因子)。

關鍵發(fā)現(xiàn):

  • 骨再生效率:8周時PS-KP500/ACFs-QK500組的骨體積分數(shù)(BV/TV)與表面覆蓋率顯著高于膠原海綿組,且新生骨呈致密桿狀骨小梁形態(tài);
  • 骨穩(wěn)定性:膠原海綿組8周時出現(xiàn)骨吸收(破骨細胞增多),而PS-KP500/ACFs-QK500組因支架降解緩慢與KP肽持續(xù)促成骨,避免骨吸收,實現(xiàn)骨再生持續(xù)增強;
  • 機制驗證:ACFs引導細胞定向遷移與ECM排列,QK肽促進血管化提供營養(yǎng),KP肽誘導BMSC成骨分化,三者協(xié)同實現(xiàn)高效骨再生。

三、研究結論

  1. 結構-功能協(xié)同創(chuàng)新:通過定向冷凍凝膠纖維(ACFs)與雙肽(QK/KP)修飾的復合設計,解決了傳統(tǒng)支架“細胞募集不足、血管化滯后、骨再生緩慢”的問題,實現(xiàn)“早期細胞定向遷移-中期血管化支撐-后期成骨分化”的全程調(diào)控;
  2. 優(yōu)異骨再生性能:雙肽復合支架(PS-KP500/ACFs-QK500)在大鼠8mm臨界尺寸顱骨缺損中,8周時新生骨體積與表面覆蓋率顯著高于膠原海綿組,且避免骨吸收,骨小梁結構更致密(桿狀);
  3. 理化與生物相容性:支架具備適宜的機械性能、可控降解性,體內(nèi)無纖維囊形成,細胞相容性優(yōu)異,且可引導ECM定向排列,為骨再生提供仿生微環(huán)境;
  4. 臨床轉化潛力:該支架無需細胞或外源性生長因子負載,通過內(nèi)源性再生機制修復大面積骨缺損,為5G通信、航空航天等領域高功率小型化電子設備提供關鍵制造技術,為下一代骨再生生物材料設計提供新策略。

四、論文信息

4.1 基礎信息

  • 論文標題:Aligned cryogel fibers incorporated 3D printed scaffold effectively facilitates bone regeneration by enhancing cell recruitment and function
  • 發(fā)表期刊:Science Advances(《科學·進展》)
  • 發(fā)表信息:2024年,10卷,eadk6722,14頁
  • DOI:10.1126/sciadv.adk6722

4.2 材料與方法關鍵信息

類別 關鍵參數(shù)/步驟
核心材料 甲基丙烯?;髂z(Gel-MA)、KP肽(BMP-2模擬肽)、QK肽(VEGF模擬肽)、膠原海綿(陽性對照)
支架制備 3D打印參數(shù):25號針頭,層高0.2mm,線距1.2mm,打印速度6mm/s;定向冷凍溫度-80℃,交聯(lián)24小時
性能表征 SEM(形貌)、Micro-CT(骨再生定量)、電子萬能試驗機(機械性能)、CCK-8(細胞活性)
動物模型 大鼠皮下植入模型、裸鼠異位成骨模型、大鼠8mm臨界尺寸顱骨缺損模型
組織學分析 H&E染色、三色染色、免疫組化(CD31/OCN/OPN/RUNX2)、TRAP染色(破骨細胞檢測)
森工3D打印機功能分析

3D打印機功能應用分析

全面解析森工DIW墨水直寫3D打印機在該類研究中功能匹配情況及需定制功能,幫助用戶更好地選擇合適的3D打印設備及功能模塊。

 該研究中涉及的3D打印策略
1、森工可匹配模塊:

①紫外固化輔助成型:該模塊輔助配備365nm/385m/395m/405m多種波長范圍,有效輔助含光引發(fā)劑直寫材料的輔助固化成型;

②墨水擠出打印:適合低粘度生物材料,如水凝膠、明膠等;

小編對該類研究的拓展設想
1、拓展思路:

①可搭載低溫直寫噴頭/平臺模塊該模塊支持-5-室溫,能快速提高固化效率,保障材料打印成型效果;

②可升級多通道打印頭,實現(xiàn)協(xié)同打印不同材料和細胞液滴入進行培養(yǎng);

③搭載轉軸模塊為不同直徑、不同長度類型的管狀支架提供更多實驗空間;

④為了提高實驗效率,可使用在線混合模塊,將生物材料與特定性能材料進行實時比混合,在多噴頭協(xié)作時間同時滿足更多不同打印方式;

2、涉及模塊介紹:

①低溫直寫噴頭/平臺模塊:支持-5~室溫,噴頭料筒滿載容量10cc,獨立分布式控溫,打印材料在料筒及針尖均可實現(xiàn)精確溫控;低溫平臺實現(xiàn)模塊化冷井設計,支持對玻片、孔板(6、12、2448、96孔)直接使用,有效制冷區(qū)域尺寸:90mm*90mm*75mm;控溫范圍:-5-室溫

②多通道打印頭: 2-4通道設計,可裝載多材料進行協(xié)同/并聯(lián)打印,如通過設備移液功能,同時進行細胞溶液滴入,提高實驗效率;

③轉軸模塊:旋轉軸直徑支持:φ1.5 φ2 φφφφ10  φ20 φ25 旋轉軸打印長度:φ1.5 φ2 φφφφ10 可打印長度100mm,φ20 φ25 可打印長度95mm;滿足更多不同規(guī)格直徑需求,實現(xiàn)多種個性化組織支架打?。?/span>

④在線混合模塊:主動混合或者被動混合模式,可實時在線混合,實現(xiàn)指定比例混合材料、在線梯度漸變;

由于小編學識所限,文中內(nèi)容難免存在疏漏或不足之處。若您發(fā)現(xiàn)任何錯誤或值得商榷的觀點,懇請不吝指正,

小編將第一時間修正完善。感謝您的包容與支持!

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如相關內(nèi)容涉及侵權,請聯(lián)系我們,將第一時間下架內(nèi)容!

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