上海硅酸鹽所：3D打印多功能支架材料研究進展

目前臨床上對于實體瘤的治療，通常采用以手術(shù)切除為主，化療、放療為輔的綜合療法。手術(shù)切除大部分骨腫瘤組織之后，在原發(fā)灶部位會造成大塊組織缺損，超過人體自愈范圍，因而需要植入組織工程支架進行誘導(dǎo)修復(fù)。同時，由于手術(shù)很難完全清除腫瘤細(xì)胞，為防止腫瘤復(fù)發(fā)，臨床通常會借助傳統(tǒng)化療和放療手段，而放療和化療對病人會造成很大的毒副作用。據(jù)南極熊了解，為解決該問題，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員與常江研究員帶領(lǐng)的研究團隊提出構(gòu)建兼具腫瘤治療和組織再生雙功能特性的3D打印組織工程支架，近期取得了系列性重要進展。

該團隊采用3D打印和原位生長相結(jié)合的方式，制備了有序大孔結(jié)構(gòu)生物陶瓷的支架，并在支架表面原位生長二硫化鉬納米片(圖1)，賦予支架在近紅外照射下迅速升溫的特性。這種制備方式不僅使得二硫化鉬納米片非常穩(wěn)定地依附在陶瓷支架的外層，而且可以對支架的光熱性能和成骨活性進行有效調(diào)控。將支架植入腫瘤部位，結(jié)合近紅外光照射進行治療，有效抑制了腫瘤的生長，而其他對照組的腫瘤生長不受抑制。同時，體內(nèi)骨修復(fù)實驗表明這種復(fù)合支架保持了生物陶瓷支架原有的優(yōu)良成骨活性，且證實短暫的激光照射不會影響長期的新骨再生(圖2)，在骨腫瘤的治療與修復(fù)中表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。目前該研究成果被Nature 出版集團的期刊 NPG Asia Materials, AM2016556R 接收(該論文第一作者為在讀博士生王小成)。

圖1.3D打印制備的具有二硫化鉬納米片層的生物陶瓷多孔支架，支架具有優(yōu)良的光熱特性與成骨活性。純陶瓷支架AKT(a)及不同二硫化鉬含量的復(fù)合支架0.05MS-AKT(b)、0.1MS-AKT(c)及0.2MS-AKT(d)的形貌。

圖2. 兔子股骨缺損部位植入3D打印的二硫化鉬修飾的生物陶瓷支架(a，b)和純陶瓷支架(c，d)八周后，在支架內(nèi)部和周圍形成大量新生骨組織(e，f)。

該團隊利用多巴胺原位聚合與3D打印生物支架表面礦化的特點，在3D打印的Ca-P-Si生物陶瓷支架表面上誘導(dǎo)出一層自均勻組裝的聚多巴胺/Ca-P納米層(圖3)，使其兼具光熱抗腫瘤的療效及修復(fù)大塊骨缺損的能力。誘導(dǎo)后的支架表面粗糙度及親水性的提高，以及納米層中含有的OH、NH2-生物活性基團能夠促進骨間充質(zhì)干細(xì)胞粘附和增殖。其次，誘導(dǎo)出的納米層能夠促進Ca-P礦化，有利于營養(yǎng)物質(zhì)的吸附，進而促進骨間充質(zhì)干細(xì)胞的分化及體內(nèi)成骨。同時，誘導(dǎo)后的支架在808nm近紅外光照射下，能實現(xiàn)快速升溫，進而利用其良好的光熱效果，能有效殺死腫瘤細(xì)胞，抑制裸鼠體內(nèi)腫瘤生長。該成果已經(jīng)申請專利一項，相關(guān)研究成果發(fā)表在Biomaterials.2016; 111: 138-148. (該論文第一作者為在讀生馬紅石)，該工作被Materials Today 以新聞亮點形式報道(圖4)。最近，該團隊利用活性營養(yǎng)元素制備了超細(xì)的合成了超小尺度的CuCoS2 納米晶(~10 nm)，其光熱轉(zhuǎn)換效率能達到73%，具有非常優(yōu)良的光熱效應(yīng)，能有效殺死腫瘤，同時因為Cu等活性元素可以促進血管化，可能是一類新型的兼具“骨修復(fù)”與“腫瘤治療”的雙功能生物活性納米材料(Adv Funct Mater 2017DOI: 10.1002/adfm.201606218)。

圖3. (a)依次為純生物陶瓷支架，2mg/mL, 4mg/mL, 6mg/mL 多巴胺誘導(dǎo)的生物陶瓷支架照片;純生物陶瓷(b)和4mg/mL多巴胺誘導(dǎo)的生物陶瓷支架(c)的顯微照片;純生物陶瓷支架(d), 4mg/mL多巴胺誘導(dǎo)的生物陶瓷支架(e)的SEM結(jié)果;4mg/mL多巴胺誘導(dǎo)的生物陶瓷支架斷面SEM(h)以及斷面能譜(i)。

圖4. Mater Today 以“Mussel-inspired scaffolds help treat bone cancer”新聞亮點報道團隊工作(Biomaterials. 2016; 111: 138-148)。

此外，該團隊還與同濟大學(xué)合作，探索了細(xì)胞生物打印。該團隊采用酶引發(fā)聚合溫和的高強度超分子-高分子復(fù)合水凝膠與干細(xì)胞進行結(jié)合，通過原位3D打印，成功實現(xiàn)了干細(xì)胞在酶鉸鏈的高強度水凝膠支架中的高效存活，為干細(xì)胞原位3D打印開辟了新方法 (Chem Sci 2016;7:2748-2752)。目前相關(guān)研究已經(jīng)實現(xiàn)了部分技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，獲得企業(yè)橫向支持300余萬元。相關(guān)研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃，中科院青年拔尖人才以及國家自然基金支持。

來源：上海硅酸鹽研究所