科研论文分享|生物3D打印丝素蛋白双重修饰的双相支架，用于骨软骨缺损的综合修复

近年来，使用3D打印技术构建组织工程支架已经成为修复骨软骨缺陷的一种重要策略。虽然3D打印的支架一定程度上能促进骨软骨缺陷的再生，但再生组织的质量和长期修复效果仍不理想。例如，软骨再生往往伴随着软骨细胞肥大，再生的组织不是正常的透明软骨。此外，用于3D打印的墨水不仅缺乏多样性，而且生物活性也很低。

为了解决这一问题，该研究利用生物3D打印技术构建具有机械梯度的GM+SF-PTH/GM+SF-MA双相支架用于骨软骨缺陷的综合修复。简单地说，丝素蛋白(SF)分别接枝甲状旁腺激素(PTH)(SF-PTH)并用甲基丙烯酸酐(SF-MA)共价固定。接下来，将明胶甲基丙烯酰(GM)与SF-PTH或SF-MA混合作为生物墨水用于关节软骨和软骨下骨再生。最后，采用生物3D打印技术构建GM+SF-PTH/GM+SF-MA骨软骨双相支架，并植入兔骨软骨缺损模型。

本研究首次合成了SF-PTH生物墨水。体外实验结果表明，GM+SF-MA生物墨水具有良好的力学性能，GM+SF-PTH生物墨水可抑制软骨细胞肥大，有利于透明软骨细胞外基质的生成。重要的是，研究成功构建了具有机械梯度的集成GM+SF-PTH/GM+SF-MA双相支架。体内实验结果表明，GM+SF-PTH/GM+SF-MA支架能在很大程度上促进骨软骨缺损的再生，维持透明软骨的表型。

GM+SF-PTH/GM+SF-MA 双相支架的制备及其在骨软骨缺损中的应用示意图

综上所述，该研究的结果表明生物3D打印构建的集成GM+SF-PTH/GM+SF-MA双相支架有望成为治疗骨软骨缺损的新策略。

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该研究首先通过各种光谱和荧光实验证明了SF的双重修饰作用，即用PTH进行生物修饰，用GMA进行机械修饰。

                                                                                           SF的双重修饰

接着，研究进行了流变测试证明了复合油墨具有良好的打印性能，且检验了生物墨水具有良好的机械性能。

体外试验表明支架具有良好的生物相容性，GM+SF-PTH墨水可以抑制体外软骨细胞的肥大，有利于产生透明的软骨细胞外基质。

                                                                                     生物墨水的特性

                                                                                            体外实验

为了评估支架对骨软骨缺陷的修复效果，研究将生物3D打印的支架植入兔子股骨远端沟槽的缺陷中。在植入后的6周和12周，在任何一组的膝关节缺陷周围都没有观察到炎症反应。GM+SF-PTH/GM+SF-MA组骨软骨缺陷被完全填满，显示出一个完整而光滑的表面。此外，再生的组织不仅在颜色上与缺陷周围的透明软骨相似，而且还与周围的软骨完全相连。

                                                                     修复后软骨的总体评估

植入12周后，用微CT观察新形成的骨组织。相比之下，在GM+SF-PTH/GM+SF-MA和GM+SF/GM+SF-MA支架组中观察到相当多数量的骨组织。这些结果表明，机械修改后具有机械梯度的双相支架有利于软骨下骨的再生。所有支架组的BV/TV和BMD都明显高于对照组。

                                            植入12 周后使用显微CT对新形成的骨组织进行扫描、重建和评估

在植入后12周，进行组织学染色，包括HE、TB和SO/FG染色，以评估再生的骨软骨组织。组织学染色结果显示，GM+SF-PTH/GM+SF-MA 组的骨软骨缺损被完全填充，表面完整光滑。SO/FG 染色结果显示，GM+SF-PTH/GM+SF-MA 组软骨染红的厚度均匀且连续，染色与正常软骨相似。此外，GM+SF-PTH/GM+SF-MA 组的骨小梁数量也最多，绿色骨小梁和红色软骨相互交错。

结果表明，GM+SF-PTH/GM+SF-MA支架可以促进骨软骨缺陷的再生，并在很大程度上保持透明软骨的表型。

                                                                 对再生骨软骨组织进行组织学分析

该研究合成了生物改性SF（SF-PTH）和机械改性SF（SF-MA）生物墨水，其中 SF-PTH 生物墨水为首次合成。结果表明，GM+SF-PTH/GM+SF-MA 支架具有抑制软骨细胞肥大的特异性生物活性。重要的是，研究成功构建了具有高生物活性和机械梯度的GM+SF-PTH/GM+SF-MA双相支架。实验结果表明，GM+SF-PTH/GM+SF-MA支架可促进骨软骨缺损的再生，并在很大程度上保持透明软骨的表型。综上所述，该研究证明了通过生物3D打印技术构建的集成GM+SF-PTH/GM+SF-MA支架有望成为治疗骨软骨缺损的一种新策略