上海硅酸鹽所在3D打印多功能支架材料研究中取得系列進(jìn)展

　　目前臨床上對(duì)于實(shí)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(huì)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(jìn)行誘導(dǎo)修復(fù)。同時(shí)，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(huì)借助傳統(tǒng)化療和放療手段，而放療和化療對(duì)病人會(huì)造成很大的毒副作用。為解決該問題，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)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，近期取得系列進(jìn)展。

　　該團(tuán)隊(duì)采用3D打印和原位生長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)支架的光熱性能和成骨活性進(jìn)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(jìn)行治療，有效抑制了腫瘤的生長(zhǎng)，而其他對(duì)照組的腫瘤生長(zhǎng)不受抑制。同時(shí)，體內(nèi)骨修復(fù)實(shí)驗(yàn)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(shí)短暫的激光照射不會(huì)影響長(zhǎng)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。目前該研究成果被自然出版集團(tuán)的期刊《亞洲材料》（NPG Asia Materials, AM2016556R）接收，第一作者為在讀博士生王小成。

　　該團(tuán)隊(duì)利用多巴胺原位聚合與3D打印生物支架表面礦化的特點(diǎn)，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(tuán)能夠促進(jìn)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(jìn)Ca-P礦化，有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸附，進(jìn)而促進(jìn)骨間充質(zhì)干細(xì)胞的分化及體內(nèi)成骨。同時(shí)，誘導(dǎo)后的支架在808nm近紅外光照射下，能實(shí)現(xiàn)快速升溫，進(jìn)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(zhǎng)。該成果已經(jīng)申請(qǐng)專利一項(xiàng)，相關(guān)研究成果發(fā)表在《生物材料》（Biomaterials. 2016; 111: 138-148），第一作者為在讀生馬紅石。該工作被Materials Today以新聞亮點(diǎn)形式報(bào)道（圖4）。最近，該團(tuán)隊(duì)利用活性營(yíng)養(yǎng)元素制備了超小尺度CuCoS2 納米晶(~10 nm)，其光熱轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到73%，具有非常優(yōu)良的光熱效應(yīng)，能有效殺死腫瘤，同時(shí)因?yàn)镃u等活性元素可以促進(jìn)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 2017 DOI: 10.1002/adfm.201606218）。

　　此外，該團(tuán)隊(duì)還與同濟(jì)大學(xué)合作，探索了細(xì)胞生物打印。該團(tuán)隊(duì)采用酶引發(fā)聚合溫和的高強(qiáng)度超分子-高分子復(fù)合水凝膠與干細(xì)胞進(jìn)行結(jié)合，通過原位3D打印，成功實(shí)現(xiàn)了干細(xì)胞在酶鉸鏈的高強(qiáng)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(shí)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)研究工作得到了中組部青年千人計(jì)劃、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院青年拔尖人才以及國(guó)家自然基金支持。

　　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)。

　　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)。