3D打印模拟复合材料治疗兔生长板损伤模型

作者：靳培浩 北京积水潭医院

目前的临床治疗选择包括：当骨棒占生长板的比例小于33%时，切除骨棒，植入中间材料，以避免骨栓的重建，并防止随后的生长畸形。另一方面，当骨棒较大时，需要进行更具创性的手术（即矫正性截骨或骨移植）。迄今为止，最常见的夹层材料是自体脂肪，但研究表明，在采用这种方法治疗的患者中，16-63%的患者预后较差，并且因此受到限制，因为它们不能取代天然生长板组织或自身通过软骨内骨化的正常生物过程诱导生长。如果期望的结果是完全恢复生长板，并且在骨栓系的原部位有新的生长，那么需要一种组织工程和再生方法。
生长板受到复杂的局部机械和分子环境的影响。动态压缩力已被证明能够刺激骨骺软骨生长，而剪切和静水压更有可能驱动软骨骨化、。研究还表明，超载可以抑制纵向骨沉积。因此，一个成功的组织工程化构建体将需要一个足够坚硬的结构，以支持负载和防止塌陷，但也能促进干细胞增殖和分化的环境。以前探索的用于生长板组织工程的支架化学成分包括甲壳素、琼脂糖、无胶原、聚乳酸-乙醇酸（PLGA）和脱钙骨基质。这些支架的主要目的是在损伤部位输送生物活性成分（如干细胞、细胞因子等），而不是提供坚固的结构支撑。例如，在兔生长板损伤模型中，PLGA被用于创建一种多孔的、可降解的支架，该支架可局部递送胰岛素样生长因子。尽管这些结构为软骨生成的生长因子刺激提供了良好的指示，但在体外降解的最后阶段，支架本身被发现断裂。开发能够提供相关生物活性提示以支持再生和强健结构支持的治疗方法将是开发临床相关治疗方法的重要下一步。
三维（3D）打印提供了一种可行的方法来制造满足生物系统机械需求的结构，结合结构设计（低体积分数），该结构设计允许包含能够支持生长板软骨再生的生物活性龛。许多打印方法的局限性包括分辨率和需要打印额外的材料以支持悬垂。立体光刻数字光处理（DLP）是解决这些缺点的一种有前途的印刷方法。DLP打印涉及光照射下的快速液-固转变，因此分辨率是投影仪的功能，使分辨率小于50 μm的可能性。此外，与其他3D打印技术相比，DLP打印不需要悬垂特征的支撑材料，从而允许更复杂的设计。
本研究的目的是开发一种3D打印的生长板模拟复合材料，用于骨棒切除术后，以防止骨棒重建、支持软骨再生和恢复肢体生长。为此，我们首先表征了兔生长板的力学性能，以指导3D打印生长板模拟复合材料的创建。DLP 3D打印中使用了聚乙二醇（PEG）基树脂，以创建由垂直柱制成的刚性3D打印结构（图1b）。选择这种简单的结构设计来提供垂直轴向支撑。网格结构用于连接垂直柱，其设计具有最小厚度，网格图案具有开放区域而非实心层，以便于局部细胞的渗透。然后，我们用软软骨模拟水凝胶填充硬结构，该水凝胶由交联PEG作为基础化学物质组成，并将硫酸软骨素（ChS）和细胞粘附肽RGD的细胞外基质类似物与软骨生成生长因子转化生长因子β3（TGFβ3）连接。指导性水凝胶设计为可通过基质金属蛋白酶（MMP）敏感交联降解，证实其支持细胞存活并促进软骨生长 3D打印）诱导兔间充质基质细胞（rMSCs）的软骨分化。然后，我们在兔生长板损伤模型中评估了其作为再生中间材料的功效，并将其与未经治疗的对照、仅模拟软骨的水凝胶和作为临床金标准的脂肪移植进行比较。对不同治疗组之间的肢体生长、胫骨角、骨形态变化和修复组织进行组织学分析。第二项体内研究比较了我们的生长板模拟复合材料的不同迭代与改变的结构特性。这项研究将3D打印和生物活性水凝胶相结合，开发了一种模拟复合物，作为生长板损伤的潜在治疗方法，解决了骨棒移除后对机械支持和软骨再生的需求。