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行业新知 | 锶/硅/钙释放分层结构的3D打印支架加速软骨缺损修复

近日,檀国大学组织再生工程研究所的Jung-Hwan Lee、Hye Sung Kim和Hae-Won Kim团队在《Advance Healthcare Materials》上发表了Strontium/Silicon/Calcium-Releasing Hierarchically Structured 3D-Printed Scaffolds Accelerate Osteochondral Defect Repair的研究论文,开发了支架介导的治疗离子传递系统。这些支架由聚(ε—己内酯)和锶(Sr)掺杂的生物活性纳米玻璃(SrBGn)构成,产生了独特的分层结构,其特征在于3D打印的大孔、微孔和由于SrBGn整合而形成的纳米拓扑结构。

 



 

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adhm.202400154

研打印的大孔、和由于SrBGn整合而形成的纳米拓扑结构。SrBGn-μCh能释放Sr、Si和Ca离子,促进软骨细胞的活化、粘附、增殖和成熟相关基因的表达。这种多离子递送显著影响软骨细胞的代谢活性和成熟。重要的是,Sr离子可能通过Notch信号通路在软骨细胞调节中发挥作用。值得注意的是,软骨的结构和拓扑线索加速了软骨细胞和骨髓源性间充质干细胞的募集、粘附、扩散和增殖。Si和Ca离子促进成骨分化和血管形成,而Sr离子促进M2巨噬细胞的极化。研究结果表明,SrBGn-μCh支架通过递送多种离子并提供结构/拓扑线索来加速 骨软骨缺损修复,最终支持宿主细胞功能和缺损愈合。这种支架在骨软骨修复应用中具有很大的前景。

 

  图1.掺锶生物活性纳米玻璃复合的分层结构3D打印支架的制备和特性。



图2.生物活性纳米玻璃的Sr取代使多种离子释放,包括Sr,Si和Ca离子,并加速其表面的非细胞生物矿化。



 

图3.SrBGn—μ Ch复合离子释放增强体外软骨细胞活性



 

图4.从SrBGn-μCh释放的锶离子改变软骨细胞的转录组学水平,有助于软骨修复。将软骨细胞与μCh、BGn-μCh和SrBGn-μCh的提取物培养7 d后进行批量RNA测序分析。BGn; BGn-μCh和SrBGn; SrBGn-μCh。

     



 

图5.除了多种离子的联合作用外,SrBGn的纳米拓扑学线索进一步增强软骨细胞粘附和随后的增殖和成熟。



 

图6.复合支架促进BMSCs增殖、迁移和成骨分化。a—f)间接培养和g—i)用支架直接培养BMSC。



图7.SrBGn—μ Ch促进骨软骨缺损模型中的软骨和骨再生a—d)腕关节修复评估。


图8.SrBGn-μCh促进骨软骨缺损修复的研究进展SrBGn-μCh具有独特的化学和物理性质,这些性质共同影响骨软骨缺损再生的一系列细胞过程。支架内生物活性纳米玻璃赋予的纳米形貌特征在增强软骨细胞和BMSC的粘附、扩散和随后的增殖中起关键作用。此外,从复合支架释放的Sr 2+、Si 4+和Ca 2+离子的集体影响加速软骨细胞成熟。特别是,Sr离子在调节软骨细胞和BMSC迁移以及促进巨噬细胞的M2极化方面发挥独特的作用。另一方面,Si和Ca离子对BMSC成骨分化和血管形成具有更显著的影响。SrBGn-μCh以其层次结构和形貌特征有效地协调了涉及宿主细胞的各种生物学过程。在骨软骨缺损再生过程中,多种离子的相互作用增强了这种协调。



研究结论

我们开发了3D打印的SrBGn—μ Ch支架,其显著增强了骨软骨修复。它们独特的结构,沿着与大/微孔和纳米拓扑线索,允许持续的多离子输送Sr,Si和Ca离子。这积极影响与软骨细胞功能和成熟相关的基因表达,Sr离子调节Notch信号通路。此外,由于生物活性纳米玻璃的整合,支架的纳米拓扑学线索协同加速了软骨细胞和BMSCs的粘附、扩散和随后的增殖。Si和Ca离子在促进BMSCs成骨分化和血管化方面更为明显,而Sr离子在促进宿主细胞募集和M2巨噬细胞极化方面更为有效。我们的研究结果表明,这种支架具有良好的骨软骨修复应用的潜力。



上图为我司使用生物活性玻璃和生物陶瓷利用光固化DLP成型方式制作的生物支架,为老师们做科研提供更高效的方法。

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