赵远锦团队《AFM》微流控 3D 打印黑磷/PNIPAM水凝胶支架用于骨再生

【摘要】

组织工程支架已被广泛用于治疗骨缺损。然而，整个支架的血管化缓慢和不足仍然是进一步应用的关键挑战。最近，复旦大学 商珞然青年研究员 /南京大学鼓楼医院 赵远锦教授 /中国科学院物理研究所 叶方富教授 科研团队共同 提出了一种多功能的微流控  3D 打印策略，用于制造掺入黑磷 (BP) 的纤维支架和光热响应通道，以改善血管化和骨再生。

热通道支架显示出由近红外辐射控制的可逆收缩和膨胀行为，这有助于悬浮细胞渗透到支架通道中并促进血管前化。 此外，嵌入的 BP 纳米片表现出原位生物矿化的内在特性，并改善体外细胞增殖和成骨分化。在体内移植后，这些通道还促进宿主血管深入支架并有效加速骨缺损的愈合过程。因此，相信这些近红外响应通道支架 是各种组织工程应用中组织 /血管向内生长的有希望的候选者。 相关论文以题为 Microfluidic 3D Printing Responsive Scaffolds with Biomimetic Enrichment Channels for Bone Regeneration 发表在《 A dvanced Functional Materials 》上。

【图文解析】

团队提出了一种微流控旋转  3D 打印策略来制造黑磷 (BP) 结合纤维支架，其具有理想的骨再生特征，如图 1 所示。微流 控 处理微尺度通道中的单个或多个流体相，从数十到数百微米。 团队采用同轴微流控打印策略来生成多通道中空含  BP 纤维并将它们打印到 3D 支架中以修复骨缺损（图 1）。

图 1  具有用于骨再生的仿生富集通道的微流控 3D打印响应支架的示意图。 a) 模拟血管的含 BP 支架显示出由 NIR 照射触发的可逆收缩和肿胀行为，这可以促进细胞渗透到支架通道中。b) 嵌入的BP纳米片在暴露于水或氧气中时很容易被氧化形成磷氧化物，磷氧化物捕获周围的游离钙离子以加速大鼠颅骨缺损中的原位生物矿化。

含  BP 中空支架的微流控打印

通常， NIR 响应多通道支架是通过在微流控打印过程中将 BP 纳米片加入热响应聚 (NIPAM) 水凝胶前体中构建的。如先前报道的，BP纳米片是通过块状BP晶体的超声剥离来制造的。 使用这种微流控打印策略，团队成功地制造了非通道和  1、2 和 3 通道含 BP 的纤维支架，分别命名为 BP-0HF、BP-1HF、BP-2HF 和 BP-3HF 支架 （图2）。

图2   多通道支架的形态特征。

BP-HF 支架的近红外响应特性

由于 BP纳米片优异的近红外吸收和光热转换性能，所设计的BP-HF支架对近红外激光照射高度敏感。HF 和 BP-HF 支架的表面温度和体积变化在暴露于 0.40 W cm ^{− 2}  的 808 nm 激光 5 分钟（激光），然后自然冷却 3 分钟（激光 关闭，图 3a-c)。与相同辐照条件下纯 HF 支架的光热效应可忽略不计相比，BP-HF 支架的温度从 19.2°C 增加到 48.2°C。由于聚 (NIPAM) 被称为热敏水凝胶，其临界溶解温度 (LCST) 较低，约为 32 °C，并且显示出响应环境温度变 化的可逆相变，因此水凝胶在低于  LCST 的温度下膨胀，当温度低于 LCST 时水凝胶会收缩。温度超过 LCST。 此外，在  NIR 照射 5 个 ON/OFF 循环后光热加热效果不会恶化，表明 BP-HF 支架具有良好的光热稳定性（图 3d）。综上所述，这些结果表明 BP-HF 支架具有可重复和可控的近红外响应性能。

图3  BP-HF 支架的光热响应性能。

支架通道中的体外细胞富集

在这项研究中， BP-HF 支架的 NIR 响应性使通道结构具有可控的膨胀/收缩特征，这有望促进细胞在重复的激光“开/关”循环下渗入支架通道，如图所示 4a通过重复上述过程，大量细胞将在几分钟内在支架通道内富集，甚至在更深的通道中（图 4b、c）。受益于 BP-HF 支架良好的生物相容性和动态通道，支架通道内的 HUVEC 存活并正常增殖 5 天（图 4d、e）。

图4  NIR 响应支架的细胞富集过程。

BP-HF 支架的体外成骨活性

为了研究  BP-HF 支架的内在骨再生能力，将 rBMSCs 与不同的支架一起培养。图 5a 显示 rBMSCs 在两种 BP-HF 的表面上粘附和扩散良好（水凝胶前体中的 BP 浓度：1 mg mL ^-1 ） 。此外，与  HF 支架相比，BP-HF 支架在培养 5 天后显着促进了 rBMSCs 的细胞增殖（图 5b） 。结果发现，与纯水凝胶支架相比，含  BP 支架的 rBMSCs 在第7天和第14天的 ALP 活性显着增强（图 5c、d）。当 rBMSCs 与支架孵育14天和21天时，在 BP-HF 组中观察到的钙矿物质结节比其他组多，定量分析进一步证实了 BP-HF 支架增加的钙积累（图 5c，e） .

图5  BP-HF 支架的体外成骨活性。

BP-HF 支架的体内 NIR 增强骨再生能力

鉴于 BP-HF支架的光响应细胞增强能力和内在成骨能力， 该团队 随后使用大鼠颅骨缺损模型研究了体内 NIR 增强的骨再生能力。支架植入2周后观察到少量新生骨组织，当治疗期延长至6周时，BP-HF组和BP-HF+NIR组新生骨组织发生率高于对照组。在 HF 和对照组中，如 3D 重建微 CT 图像所示（图 6a）。定量分析显示，BP-HF+NIR 组在第 2 周和第 6 周的所有组中具有最高的骨组织体积/总组织体积（BV/TV，图 6b）和骨矿物质密度（BMD，图 6c），表明 BP-HF+NIR 组新骨 组织再生速度快于其他组。

图6   通过动态  NIR 响应 BP-HF 支架增强体内骨再生。

【总结】

团队提出了一种同轴微流体  3D 打印策略来制造光热响应通道支架，以改善血管化和骨再生。BP 纳米片的加入使基于聚（NIPAM）的支架具有受 NIR 辐射控制的可重复收缩/膨胀性能，这促进了细胞浸润到支架通道中。此外， 与纯 HF 支架相比，BP-HF 支架显着促进了成骨干细胞的增殖、分化和矿化。一旦将BP-HF支架植入骨缺损处，其动态近红外响应通道结构促进血管向支架内生长，从而大大加速骨缺损愈合过程，表明它们在血管化骨再生方面具有广阔的潜力 。将刺激响应剂整合到仿生通道支架中的策略为不同组织工程应用的智能 生物材料的设计提供了新的见解。

参考文献 ：

doi.org/10.1002/adfm.202105190