东华大学何创龙教授团队《Carbohydr. Polym.》：3D生物打印双交联网络的明胶/吉兰糖胶基支架用于血管化骨再生

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组织工程支架材料在骨组织再生修复中应用前景广阔，但由于前期血管化不足以及成骨诱导活性较弱的问题使其临床应用受限。相对于传统的3D打印技术，3D生物打印技术能精准控制生物材料、种子细胞和生长因子在特定空间的装配，制造出仿生天然组织宏、微观结构以及再生微环境的生物修复体，是实现骨组织工程化构建的理想途径。但是，如何开发满足骨再生需求的适配性生物墨水以及构建偶联血管化和骨再生作用的生物支架仍然需要深入研究。

近期，东华大学何创龙教授团队根据细胞外基质的结构特点和快速血管化的骨修复需求，利用3D生物打印技术构建了一种促成骨、成血管和力学增强型的生物活性支架（图1）。采用甲基丙烯酰化明胶（GelMA）和甲基丙烯酰化吉兰糖胶（GGMA）作为生物墨水基质材料，能够负载人脐静脉内皮细胞（HUVECs）或骨髓间充质干细胞（BMSCs），进而通过光交联和离子交联的双重交联作用可制备出力学增强型的GelMA/GGMA支架。GelMA/GGMA复合墨水具有良好的可打印性，而具有双网络交联结构的GelMA/GGMA支架表现出增强的力学性能。为了赋予支架成骨和成血管活性，利用醇质体（Eth）装载小分子药物去铁胺（DFO），从而3D打印构建的生物活性支架（Eth-DFO@GelMA/GGMA）具有较好的药物持续释放效果（图2）。体外细胞实验表明，Eth-DFO@GelMA/GGMA支架可以通过刺激人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的迁移、管状结构的形成和血管生成相关基因的表达（eNOS、HIF-1α和SDF1-α）来促进血管的生成，并通过上调骨髓间充质干细胞（BMSCs）相关成骨基因的表达（Runx2、OCN、OPN和COL-1）和促进矿物基质形成来增强骨的生成（图3）。皮下埋植模型结果显示，Eth-DFO@GelMA/GGMA支架显著增强血管网络的形成。此外，大鼠颅骨缺损模型的体内实验表明，复合支架可以通过激活缺氧诱导因子1-α（HIF1-α）信号通路促进血管生成和骨再生。因而，3D生物打印构建的Eth-DFO@GelMA/GGMA支架可以同时兼顾血管与骨的生成，有望成为治疗骨缺损的潜在材料。

图1 Eth-DFO@GelMA/GGMA支架的制备流程及其生物功能示意图

图2体外药物释放与生物相容性表征

图3 体外成血管和成骨性能分析

图4 体内骨再生性能评价

该工作以“3D bioprinted gelatin/gellan gum-based scaffold with double-crosslinking network for vascularized bone regeneration”为题发表在《Carbohydrate Polymers》期刊上，论文的通讯作者为东华大学生物与医学工程学院的何创龙教授和周小军博士，第一作者为东华大学硕士研究生李智慧。该工作得到国家自然科学基金、上海市自然科学基金等项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119469

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