上海矽酸鹽所在3D列印功能性生物陶瓷支架方面取得系列進展

傳統3D列印生物陶瓷支架主要用於骨組織工程， 但在軟骨再生、腫瘤治療方面還缺乏研究。 前期， 中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領的研究團隊在3D列印生物陶瓷支架用於骨-軟骨再生及骨腫瘤治療方面取得了系列研究進展（Advanced Functional Materials 2017, 27:1703117-1703130; Advanced Science 2017, 4:1700401-1700409; Biomaterials 2017, 135:85-95；NPG Asia Materials 2017, 9:e376-e389; Advanced Functional Materials 2016, 26:1197-1208; Biomaterials, 2016, 111:138-148等）。 近期， 該團隊在前期研究基礎上， 在3D列印功能性生物陶瓷支架方面又取得了系列新進展。

骨關節炎是一種退行性關節疾病。 關節炎疾病進程中， 軟骨首先受到損傷， 而軟骨損傷通常累及軟骨下骨， 進而導致骨-軟骨缺損。 由於軟骨和軟骨下骨的生物學特性不同，

因此骨-軟骨一體化修復極具挑戰。 為此， 該研究團隊利用溶膠凝膠法合成多元矽酸鈣鋰(Li4Ca4Si4O13)生物陶瓷， 並通過3D列印方法製備了其多孔生物陶瓷支架， 得到的矽酸鈣鋰支架形貌可控、大小均一， 其抗壓強度可以通過控制孔徑大小來調控。 矽酸鈣鋰生物陶瓷的離子產物對軟骨細胞的增殖和表型的維持起積極作用， 對骨髓間充質幹細胞的成骨分化起顯著的促進作用。 同時， 體內研究結果表明， 矽酸鈣鋰生物陶瓷支架在骨-軟骨缺損模型中成功地修復了骨-軟骨， 實現了多離子聯合作用促進軟骨和軟骨下骨修復的效果， 在骨-軟骨修復領域具有良好的應用前景。 相關研究成果發表於Biomaterials (2018; Doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.04.005) 雜誌上（該論文第一作者為高級工程師陳蕾）， 並申請發明專利一項。

在關節中骨-軟骨介面具有極其複雜精妙的微結構， 基於多種無機離子聯合促進骨-軟骨缺損修復的作用， 該研究團隊設計了不僅能對骨-軟骨組織進行修復， 並且能進一步對複雜的骨和軟骨的介面複雜微結構進行修復的生物陶瓷支架， 並對其機理作了深入研究。 利用3D列印技術製備矽磷酸鍶生物陶瓷支架(Sr5(PO4)2SiO4, SPS)。 SPS生物陶瓷穩定釋放的Sr 和Si 離子通過協同啟動缺氧誘導因數(HIF)信號通路， 誘導軟骨的增殖， 維持其表型；在關節炎模型軟骨細胞中， Sr 和Si 離子通過協同作用啟動軟骨細胞自噬作用， 抑制細胞降解代謝活動及Indian Hedgehog (IHH)信號通路保護軟骨細胞；體內研究結果顯示， SPS 支架不僅實現了利用多種無機離子的共同作用對骨-軟骨組織進行雙向修復，

並且成功地將修復效果延伸至極其複雜的骨和軟骨介面結構。 目前該研究相關成果發表在Theranostics (2018;8:1940-1955.) 雜誌上（該論文第一作者為在讀博士生鄧翠君， 指導導師為吳成鐵）。

該團隊還通過化學反應的方法將具有光熱效應的CuFeSe2納米晶原位生長在具有成骨活性的生物玻璃陶瓷支架表面上， 最終獲得了具有骨腫瘤消融和骨缺損修復的雙功能支架。 CuFeSe2屬於硫族半導體材料中的一種， 它的有效光熱轉化效率可達到82%， 其組成元素Fe和Cu被報導具有很好的促進成血管和成骨的活性。 體外和體內實驗證明此雙功能支架能夠有效地通過光熱殺死骨腫瘤細胞， 消融骨腫瘤組織，

同時能夠有效地支持和促進骨間充質幹細胞的粘附和增殖， 最終促進新骨的形成。 其相關工作發表在Biomaterials (2018, 160：92-106.) 雜誌上(論文第一作者為上海矽酸鹽所在讀博士生党文濤， 指導導師為吳成鐵)， 同時其工作被國際期刊Materials Today作為亮點工作進行了專門的新聞報導 (Scaffold material sheds light on bone tumor therapy, 5 March 2018)。

該團隊還針對治療與修復承重骨缺損的應用背景， 利用3D列印技術製備出具有優良力學強度的Fe-CaSiO3複合支架， 可用于修復承重骨缺損。 同時由於Fe存在表面等離子共振效應， 賦予複合支架優良的光熱性能。 由於Fe離子的釋放， 在腫瘤細胞內部能與H2O2反應， 生成活性氧(ROS)， 從而實現光熱和ROS協同抗腫瘤， 達到更好的骨腫瘤治療效果。 同時複合支架由於具有生物活性矽酸鈣陶瓷相而保持良好的成骨活性。

因此， Fe-CaSiO3複合支架具有修復與治療承重骨腫瘤缺損的潛在應用價值。 其相關工作發表在NPG Asia Materials (2018; DOI: 10.1038/s41427-018-0015-8)雜誌上（該論文第一作者為上海矽酸鹽所在讀博士生馬紅石， 指導導師為吳成鐵）。

相關研究工作得到了中組部青年千人計畫、國家自然科學基金委中德國際合作重點項目與國家重點研發計畫的資助。