【摘要】

組織工程支架已被廣泛用于治療骨缺損。然而，整個支架的血管化緩慢和不足仍然是進一步應用的關鍵挑戰。最近，復旦大學 商珞然青年研究員 /南京大學鼓樓醫院 趙遠錦教授 /中國科學院物理研究所 葉方富教授 科研團隊共同 提出了一種多功能的微流控  3D 打印策略，用于制造摻入黑磷 (BP) 的纖維支架和光熱響應通道，以改善血管化和骨再生。

熱通道支架顯示出由近紅外輻射控制的可逆收縮和膨脹行為，這有助于懸浮細胞滲透到支架通道中并促進血管前化。 此外，嵌入的 BP 納米片表現出原位生物礦化的內在特性，并改善體外細胞增殖和成骨分化。在體內移植后，這些通道還促進宿主血管深入支架并有效加速骨缺損的愈合過程。因此，相信這些近紅外響應通道支架 是各種組織工程應用中組織 /血管向內生長的有希望的候選者。 相關論文以題為 Microfluidic 3D Printing Responsive Scaffolds with Biomimetic Enrichment Channels for Bone Regeneration 發表在《 A dvanced Functional Materials 》上。

【圖文解析】

團隊提出了一種微流控旋轉  3D 打印策略來制造黑磷 (BP) 結合纖維支架，其具有理想的骨再生特征，如圖 1 所示。微流 控 處理微尺度通道中的單個或多個流體相，從數十到數百微米。 團隊采用同軸微流控打印策略來生成多通道中空含  BP 纖維并將它們打印到 3D 支架中以修復骨缺損（圖 1）。

圖 1  具有用于骨再生的仿生富集通道的微流控 3D打印響應支架的示意圖。 a) 模擬血管的含 BP 支架顯示出由 NIR 照射觸發的可逆收縮和腫脹行為，這可以促進細胞滲透到支架通道中。b) 嵌入的BP納米片在暴露于水或氧氣中時很容易被氧化形成磷氧化物，磷氧化物捕獲周圍的游離鈣離子以加速大鼠顱骨缺損中的原位生物礦化。

含  BP 中空支架的微流控打印

通常， NIR 響應多通道支架是通過在微流控打印過程中將 BP 納米片加入熱響應聚 (NIPAM) 水凝膠前體中構建的。如先前報道的，BP納米片是通過塊狀BP晶體的超聲剝離來制造的。 使用這種微流控打印策略，團隊成功地制造了非通道和  1、2 和 3 通道含 BP 的纖維支架，分別命名為 BP-0HF、BP-1HF、BP-2HF 和 BP-3HF 支架 （圖2）。

圖2   多通道支架的形態特征。

BP-HF 支架的近紅外響應特性

由于 BP納米片優異的近紅外吸收和光熱轉換性能，所設計的BP-HF支架對近紅外激光照射高度敏感。HF 和 BP-HF 支架的表面溫度和體積變化在暴露于 0.40 W cm ^{? 2}  的 808 nm 激光 5 分鐘（激光），然后自然冷卻 3 分鐘（激光 關閉，圖 3a-c)。與相同輻照條件下純 HF 支架的光熱效應可忽略不計相比，BP-HF 支架的溫度從 19.2°C 增加到 48.2°C。由于聚 (NIPAM) 被稱為熱敏水凝膠，其臨界溶解溫度 (LCST) 較低，約為 32 °C，并且顯示出響應環境溫度變 化的可逆相變，因此水凝膠在低于  LCST 的溫度下膨脹，當溫度低于 LCST 時水凝膠會收縮。溫度超過 LCST。 此外，在  NIR 照射 5 個 ON/OFF 循環后光熱加熱效果不會惡化，表明 BP-HF 支架具有良好的光熱穩定性（圖 3d）。綜上所述，這些結果表明 BP-HF 支架具有可重復和可控的近紅外響應性能。

圖3  BP-HF 支架的光熱響應性能。

支架通道中的體外細胞富集

在這項研究中， BP-HF 支架的 NIR 響應性使通道結構具有可控的膨脹/收縮特征，這有望促進細胞在重復的激光“開/關”循環下滲入支架通道，如圖所示 4a通過重復上述過程，大量細胞將在幾分鐘內在支架通道內富集，甚至在更深的通道中（圖 4b、c）。受益于 BP-HF 支架良好的生物相容性和動態通道，支架通道內的 HUVEC 存活并正常增殖 5 天（圖 4d、e）。

圖4  NIR 響應支架的細胞富集過程。

BP-HF 支架的體外成骨活性

為了研究  BP-HF 支架的內在骨再生能力，將 rBMSCs 與不同的支架一起培養。圖 5a 顯示 rBMSCs 在兩種 BP-HF 的表面上粘附和擴散良好（水凝膠前體中的 BP 濃度：1 mg mL ^-1 ） 。此外，與  HF 支架相比，BP-HF 支架在培養 5 天后顯著促進了 rBMSCs 的細胞增殖（圖 5b） 。結果發現，與純水凝膠支架相比，含  BP 支架的 rBMSCs 在第7天和第14天的 ALP 活性顯著增強（圖 5c、d）。當 rBMSCs 與支架孵育14天和21天時，在 BP-HF 組中觀察到的鈣礦物質結節比其他組多，定量分析進一步證實了 BP-HF 支架增加的鈣積累（圖 5c，e） .

圖5  BP-HF 支架的體外成骨活性。

BP-HF 支架的體內 NIR 增強骨再生能力

鑒于 BP-HF支架的光響應細胞增強能力和內在成骨能力， 該團隊 隨后使用大鼠顱骨缺損模型研究了體內 NIR 增強的骨再生能力。支架植入2周后觀察到少量新生骨組織，當治療期延長至6周時，BP-HF組和BP-HF+NIR組新生骨組織發生率高于對照組。在 HF 和對照組中，如 3D 重建微 CT 圖像所示（圖 6a）。定量分析顯示，BP-HF+NIR 組在第 2 周和第 6 周的所有組中具有最高的骨組織體積/總組織體積（BV/TV，圖 6b）和骨礦物質密度（BMD，圖 6c），表明 BP-HF+NIR 組新骨 組織再生速度快于其他組。

圖6   通過動態  NIR 響應 BP-HF 支架增強體內骨再生。

【總結】

團隊提出了一種同軸微流體  3D 打印策略來制造光熱響應通道支架，以改善血管化和骨再生。BP 納米片的加入使基于聚（NIPAM）的支架具有受 NIR 輻射控制的可重復收縮/膨脹性能，這促進了細胞浸潤到支架通道中。此外， 與純 HF 支架相比，BP-HF 支架顯著促進了成骨干細胞的增殖、分化和礦化。一旦將BP-HF支架植入骨缺損處，其動態近紅外響應通道結構促進血管向支架內生長，從而大大加速骨缺損愈合過程，表明它們在血管化骨再生方面具有廣闊的潛力 。將刺激響應劑整合到仿生通道支架中的策略為不同組織工程應用的智能 生物材料的設計提供了新的見解。

參考文獻 ：

doi.org/10.1002/adfm.202105190