中科院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室 吴成铁教授团队

2020年发表于《科学》子刊 《Science Advances》

《3D打印Haversian结构骨支架实现骨再生的多细胞传递》

摘要：组织工程支架结构与功能的整合对于模拟天然骨组织具有重要意义。然而，层次结构的复杂性、对机械性能的要求以及骨驻留细胞的多样性是构建仿生骨组织工程支架的主要挑战。本文通过基于数字激光处理(DLP)的3D打印技术，成功制备了具有完整层次Haversian骨结构的Haversian仿骨支架。通过改变Haversian仿骨结构的参数，可以很好地控制支架的抗压强度和孔隙率。Haversian骨模拟支架通过体外诱导成骨、血管生成和神经生成分化，在体内加速血管的生长和新骨的形成，显示了多细胞递送的巨大潜力。该工作为通过模拟天然复杂骨组织进行组织再生来设计结构化和功能化的生物材料提供了一种新的策略。

研究机理：图2.1为仿生骨支架成形及骨生长和血管生成示意图。3D打印Haversian骨模拟支架与Haversian管、Volkmann管和松质骨结构相结合，用于输送成骨细胞和血管生成细胞。成骨细胞接种于支架松质骨结构，血管生成细胞接种于Haversian管。Haversian骨模拟结构为基础的多细胞传输系统有助于新骨和新血管的形成。

图2.1 Haversian仿真骨支架示意图、建模、打印、成骨细胞和血管生成细胞的生长

图2.2为皮质骨和松质骨结构Haversian仿骨生物陶瓷支架模型，具有不同的特征结构参数。具有不同尺寸和数量的哈弗森管和沃克曼管。

图2.2 不同结构设计的仿生骨支架

图2.3为不同支架结构的性能，包括抗压强度和孔隙率。

图2.3 不同结构设计仿生骨支架的抗压强度和孔隙率（bar为400μm）

图2.4表示基于RBMSC-RAEC共培养系统的Haversian骨模拟生物陶瓷支架增强了兔股骨缺损新骨和新血管的形成。

图2.4基于RBMSC-RAEC共培养系统的Haversian骨模拟生物陶瓷支架增强了兔股骨缺损新骨和新血管的形成。

对于仿生人造骨生物陶瓷支架来说，利用活性生物陶瓷材料实现模拟人体骨骼结构是关键。十维科技的AutoCera-M优越的成形能力来源于高精度、高稳定性的机械系统和精密设计的光学系统，以及灵活的参数调控范围。在这项研究中，高力学性能的皮质骨部分与高精细的松质骨部分得以一体成形，完美的实现了对人体骨骼结构的仿生制造。设备可批量打印多组结构尺寸经过灵活调整的不同植入体零件，在进一步的研究中能够获得最佳的骨再生的多细胞传递的结构参数。