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近期，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院賴毓霄研究員團(tuán)隊(duì)在科愛出版創(chuàng)辦的期刊Bioactive Materials上發(fā)表研究文章：近紅外響應(yīng)性3D打印形狀記憶聚氨酯/鎂復(fù)合支架促進(jìn)骨缺損再生。該支架由形狀記憶聚氨酯（SMPU）作為熱響應(yīng)基質(zhì)，鎂（Mg）作為光熱劑和生物活性成分，通過低溫快速成型（LT-RP）3D打印技術(shù)制備的近紅外響應(yīng)型支架。該支架可通過近紅外光照恢復(fù)初始形狀，和力學(xué)回彈。同時(shí)緊密填充缺損部位并釋放鎂離子促骨修復(fù)，可為臨床骨缺損治療提供一種有效的策略。

01、研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介

由骨折、創(chuàng)傷等引起的大范圍骨缺損修復(fù)一直以來都是公共衛(wèi)生領(lǐng)域最受關(guān)注的問題之一。SMPU是一類新型的刺激響應(yīng)材料，易加工，變形大，賦予了材料/器件在填充部位的緊密貼合性。然而SMPU在應(yīng)用中仍具有一些局限性，例如力學(xué)性能不足，制備手段不夠精細(xì)，缺乏促成骨性能等。因此文章提出采用Mg與SMPU復(fù)合，利用LT-RP技術(shù)制造3D打印智能骨修復(fù)支架。賴毓霄研究員團(tuán)隊(duì)以往的研究證明了Mg具有良好的促成骨活性、機(jī)械強(qiáng)度和光熱效應(yīng)。其中，光熱效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)SMPU的遠(yuǎn)程刺激－響應(yīng)調(diào)控，在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)形狀回復(fù)。LT-RP技術(shù)可以在低溫下構(gòu)建多孔支架，是一種很好的調(diào)控Mg基復(fù)合物的技術(shù)方法。因此文章構(gòu)建低溫3D打印SMPU/Mg支架用于骨修復(fù)，為將來進(jìn)一步的材料優(yōu)化及器件設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

一、SMPU/Mg骨修復(fù)支架促骨再生原理

SMPU/Mg骨修復(fù)支架的促骨再生原理是一種“3R”過程：植入缺損部位后，支架在近紅外光的刺激下恢復(fù)（recover）形變，實(shí)現(xiàn)與缺損周邊骨的緊密接觸，強(qiáng)化支撐作用；然后緩慢釋放（release）具有促成骨活性的Mg離子；最終修復(fù)（repair）骨缺損（圖1）。

二、SMPU/Mg骨修復(fù)支架結(jié)構(gòu)和性能表征

研究人員首先通過一步法合成基于聚己內(nèi)酯（PCL-based）的SMPU材料，并復(fù)合Mg顆粒結(jié)合LT-RP技術(shù)制備含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Mg顆粒的形狀記憶復(fù)合支架。以SMPU/4 wt% Mg支架為代表，支架在水平和垂直方向上均呈現(xiàn)出相互連通的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)（圖2a和2b1）。SEM-EDS和XRD結(jié)構(gòu)均證明Mg成功復(fù)合進(jìn)支架中（圖2b2和2c）。復(fù)合支架的Tm和力學(xué)性能與Mg含量呈正相關(guān)（圖2d, 2e 和2f）。另外，研究人員將支架浸泡在pH=7.4的PBS溶液中，12周后支架重量無明顯變化，表明支架穩(wěn)定性較好，可以在缺損修復(fù)期提供一定的力學(xué)支撐，且Mg2+可以長期穩(wěn)定釋放。

干態(tài)和濕態(tài)兩種環(huán)境中的支架在NIR照射下，溫度隨Mg含量和照射時(shí)間的增加而升高，且在前60 s升溫較快，同時(shí)也證明了SMPU/4 wt%Mg支架具有良好的光熱穩(wěn)定性（圖3a）。在形狀記憶性能方面，研究人員記錄了遠(yuǎn)程N(yùn)IR照射過程中支架的形狀回復(fù)（圖3b，3c，3d和3e）。SMPU/4 wt%Mg支架具有最平衡的形狀固定率和回復(fù)率，在恢復(fù)形狀的過程中，支架可以舉起超過其自身重量的1700倍的重物（圖3f，3g和3h）。這些結(jié)果證明了支架具有良好的NIR響應(yīng)性和力學(xué)支撐能力。

三、細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

研究人員考察了支架對(duì)于MC3T3-E1細(xì)胞的影響，均表現(xiàn)出較好的細(xì)胞活性和增殖能力（圖4a）。ALP染色和ARS染色結(jié)果（圖4b1）顯示，與對(duì)照組和SMPU組相比，含Mg支架組可以有效促進(jìn)BMSc細(xì)胞ALP和鈣結(jié)節(jié)產(chǎn)生（圖4b）。此外，研究人員用qPCR檢測(cè)了Runx2和OST基因的表達(dá)，結(jié)果也證實(shí)了SMPU/4% Mg支架可以顯著促進(jìn)BMSc成骨分化（圖4c）。

在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，SMPU/4 wt% Mg支架在植入過程中在NIR照射下，支架恢復(fù)到原有的形狀和多孔結(jié)構(gòu)（圖5b）。在生物力學(xué)測(cè)試中，形狀記憶支架可以與缺損骨緊密貼合，最大推出力有了顯著性提高（圖5b）。在有限元分析中，相比于不具備光熱效應(yīng)的SMPU支架，SMPU/4 wt% Mg支架可以將缺損骨-支架界面最大應(yīng)力提高2個(gè)數(shù)量級(jí)，證明了其良好的力學(xué)支撐性（圖5c）。

另一方面，研究人員通過Micro-CT重建發(fā)現(xiàn)，與空白組（無支架）和SMPU支架組相比，SMPU/4% Mg支架植入后有更多的新生骨（圖6a和6b）。H&E染色結(jié)果顯示，與空白組和原始SMPU組相比，SMPU/4 wt% Mg組在各時(shí)間點(diǎn)均可發(fā)現(xiàn)更多的新骨組織（圖6c）。這也證明了含Mg支架可以有效的促骨再生。

綜上所述，文章報(bào)道了利用LT-RP 3D打印技術(shù)構(gòu)建具有NIR響應(yīng)的SMPU/Mg復(fù)合支架，以解決傳統(tǒng)形狀記憶材料孔隙率低、體溫響應(yīng)以及生物活性不理想的局限性。該支架在植入后可以利用NIR光遠(yuǎn)程調(diào)控實(shí)現(xiàn)緊密貼合缺損部位；隨著Mg2+的穩(wěn)定釋放，最終實(shí)現(xiàn)了良好的骨再生，為發(fā)展新一代的遠(yuǎn)程調(diào)控智能骨修復(fù)支架提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，具有很大的臨床轉(zhuǎn)化前景。