EFL團隊：3D打印皮質--松質一體化的功能性頜面骨

來源：EngineeringForLife

隨著人們生活水平的日益提高，越來越多的牙齒缺失的患者更傾向于種植義齒修復缺失牙，因其不僅能理想地恢復美觀，還能重建近似天然的咀嚼功能。然而，在臨床上，超過一半的患者需在種植手術前行骨移植手術，以獲得充足的骨量來支撐種植體承受的咬合力，保障遠期療效。目前臨床最主流的策略為骨移植材料的植入，然而，大多骨移植物為羥基磷灰石類材料，降解極為緩慢，阻礙了新生骨向缺損區(qū)爬行，因而無法重建近似天然頜骨微結構的新生骨組織。天然頜骨組織，包括外層較高密度的皮質骨和內部較低密度的松質骨，其中高密度皮質骨結構能承受咀嚼應力，并將其傳遞至更廣泛的松質骨，而密度較低的松質骨則能進一步的分散應力。因此，頜骨的特殊解剖位置及復雜的咀嚼功能賦予了其特殊微結構，在修復顱頜面骨缺損的自然形態(tài)的同時，重建天然頜骨微結構有助于咀嚼功能的恢復，具有重要的生理意義。

近日，浙江大學醫(yī)學院附屬口腔醫(yī)院謝志堅教授團隊與浙江大學化學系唐�？到淌趫F隊、機械工程學院賀永教授團隊合作，通過重建具有生理功能的頜骨組織，為以功能為導向的組織重建提供了新思路。相關研究“A Hierarchical 3D Graft Printed with Nanoink for Functional Craniofacial Bone Restoration”發(fā)表于《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202301099），浙江大學謝志堅教授、唐�？到淌谂c賀永教授為該論文的通訊作者，浙大醫(yī)學院附屬口腔醫(yī)院博士生史洋、主治醫(yī)師石玨，浙大機械工程學院博士孫元及浙大化學系碩士生劉琪琪為共同一作。

1. 仿生骨支架的構建和性能探索

首先，研究人員深入剖析了頜骨組織的微觀結構，從宏觀角度看，頜骨擁有典型的皮質骨和松質骨結構，皮質骨含哈弗氏系統(tǒng)保證著血液營養(yǎng)供應，松質骨則為沿咬合力方向分布的網(wǎng)狀結構，支撐并分散著咀嚼應力的同時，維持頜骨快速的代謝活動。從微觀角度看，骨再生過程中涉及炎癥階段、骨形成階段和骨礦化成熟階段，其中間充質干細胞的有效成骨向分化和骨基質的快速礦化是最為核心的再生過程。因此，受到骨再生序列事件中理化調控因素的啟發(fā)，研究人員通過將骨形成蛋白和前期研發(fā)的納米級磷酸鈣加入到墨水中，獲得了一種新型功能化納米墨水，同時設計含有哈弗氏脈管系統(tǒng)的皮質骨和三周期最小曲面為基本結構單元的多孔狀松質骨，利用光固化3D打印技術制造了具有天然頜骨微結構的仿生骨支架，以期通過支架作為模板，新生骨組織在該模板上爬行替代，重建能理想承受并分散咬合應力的頜骨組織，為恢復正常的咀嚼功能奠定基礎。

圖1 仿生骨支架的構建和打印性能探索

2. 有機無機復合水凝膠的理化性能探索

磷酸鈣的超小尺寸（≈ 1 nm）使得其能與主體墨水之間產生配位鍵，獲得有機無機復合納米墨水，掃描電子顯微鏡和元素分布圖結果顯示該有機無機復合水凝膠表面光滑，未出現(xiàn)明顯的顆粒感，進一步證實有機墨水和無機磷酸鈣之間達到理想的融合，該融合不僅使得復合體系的力學性能和降解性能可調，同時也進一步延緩了載入體系內的生物活性因子的釋放，為其發(fā)揮更理想的生物學功能提供有利條件。

圖2 有機無機復合水凝膠的理化性能表征

3. 有機無機復合水凝膠的成骨功能探索

為實現(xiàn)天然頜骨皮質-松質樣密度梯度骨組織的誘導，在墨水體系中載入不同濃度的生物活性分子骨形態(tài)蛋白和納米級磷酸鈣材料，體外成骨相關功能實驗證明其成骨活性具有濃度依賴性，為體內誘導密度梯度新生骨組織提供前提條件。

圖3 有機無機復合水凝膠的成骨活性具有濃度依賴性

4. 骨髓間充質干細胞上清促進內皮細胞血管化

骨髓間充質干細胞培養(yǎng)體系的ELISA結果顯示，上清中存在高濃度的血管內皮生長因子，因此，研究人員嘗試將其上清共培養(yǎng)人臍靜脈內皮細胞，結果顯示其不僅能誘導內皮細胞的血管形成功能，且該誘導能力也呈一定程度的濃度依賴性。

圖4 骨髓間充質干細胞上清液促進內皮細胞血管化

5. 有機無機復合水凝膠成骨機制探索

RNA-Seq結果進一步揭示該復合水凝膠能上調多個成骨功能相關基因表達，GO分析顯示多個成骨相關生物學過程激活，KEGG結果顯示ECM-receptor interaction、PI3K-AKT信號通路和focal adhesion通路富集。其中，表達上調最為顯著的基因ITGA10同時也是上述信號通路的上游。因此，ITGA10/PI3K/AKT可能為該有機無機復合水凝膠促進成骨的潛在機制。

圖5 有機無機復合水凝膠誘導成骨的機制探索

6. 體內實驗成骨功能探索

家兔頜骨缺損模型證實，該仿生骨支架能高效誘導新骨的生理性重建，且降解速度與再生速度匹配。與口腔臨床最主流的骨修復產品Bio-Oss骨粉相比，后者誘導的新骨組織雖然密度較高，但缺乏典型的皮質-松質樣密度梯度結構，不利于生理性咀嚼功能的發(fā)揮和應力傳遞。

圖6 仿生骨支架修復家兔頜骨的影像學結果

圖7 仿生骨支架修復家兔頜骨的組織學結果

7. 有限元分析模擬咀嚼應力

通過有限元分析于新生骨組織區(qū)域模擬植入種植體，Bio-Oss骨粉誘導的致密性骨團塊在負載生理性咀嚼力時出現(xiàn)了種植體周圍的應力集中，而仿生骨支架誘導的近似天然的新生組織使得應力能在皮質骨的介導下分散至更為廣泛的松質骨區(qū)域，降低了種植體周圍的平均應力，為其行使正常咀嚼功能、確保遠期治療效果提供了結構基礎。

圖8 模擬頜骨天然咀嚼功能下新骨應力分布的有限元分析

綜上，該項工作提出從多維度構建仿生體系，理想地解決了具有復雜咀嚼功能的頜骨缺損再生修復，該功能為導向的組織工程策略為功能化再生醫(yī)學提供了新思路。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adfm.202301099