中国科学院深圳先进技术研究院赖毓霄研究员团队： 近红外响应性3D打印形状记忆聚氨酯/镁复合支架促进骨再生|BAM
近期，中国科学院深圳先进技术研究院赖毓霄研究员团队在科爱出版创办的期刊Bioactive Materials上发表研究文章：近红外响应性3D打印形状记忆聚氨酯/镁复合支架促进骨缺损再生。该支架由形状记忆聚氨酯（SMPU）作为热响应基质，镁（Mg）作为光热剂和生物活性成分，通过低温快速成型（LT-RP）3D打印技术制备的近红外响应型支架。该支架可通过近红外光照恢复初始形状，和力学回弹。同时紧密填充缺损部位并释放镁离子促骨修复，可为临床骨缺损治疗提供一种有效的策略。
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研究内容简介
由骨折、创伤等引起的大范围骨缺损修复一直以来都是公共卫生领域最受关注的问题之一。SMPU是一类新型的刺激响应材料，易加工，变形大，赋予了材料/器件在填充部位的紧密贴合性。然而SMPU在应用中仍具有一些局限性，例如力学性能不足，制备手段不够精细，缺乏促成骨性能等。因此文章提出采用Mg与SMPU复合，利用LT-RP技术制造3D打印智能骨修复支架。赖毓霄研究员团队以往的研究证明了Mg具有良好的促成骨活性、机械强度和光热效应。其中，光热效应可实现SMPU的远程刺激－响应调控，在体内实现形状回复。LT-RP技术可以在低温下构建多孔支架，是一种很好的调控Mg基复合物的技术方法。因此文章构建低温3D打印SMPU/Mg支架用于骨修复，为将来进一步的材料优化及器件设计提供基础。
一、SMPU/Mg骨修复支架促骨再生原理
SMPU/Mg骨修复支架的促骨再生原理是一种“3R”过程：植入缺损部位后，支架在近红外光的刺激下恢复（recover）形变，实现与缺损周边骨的紧密接触，强化支撑作用；然后缓慢释放（release）具有促成骨活性的Mg离子；最终修复（repair）骨缺损（图1）。
二、SMPU/Mg骨修复支架结构和性能表征
研究人员首先通过一步法合成基于聚己内酯（PCL-based）的SMPU材料，并复合Mg颗粒结合LT-RP技术制备含有不同质量分数Mg颗粒的形状记忆复合支架。以SMPU/4 wt% Mg支架为代表，支架在水平和垂直方向上均呈现出相互连通的多级孔结构（图2a和2b1）。SEM-EDS和XRD结构均证明Mg成功复合进支架中（图2b2和2c）。复合支架的Tm和力学性能与Mg含量呈正相关（图2d, 2e 和2f）。另外，研究人员将支架浸泡在pH=7.4的PBS溶液中，12周后支架重量无明显变化，表明支架稳定性较好，可以在缺损修复期提供一定的力学支撑，且Mg2+可以长期稳定释放。干态和湿态两种环境中的支架在NIR照射下，温度随Mg含量和照射时间的增加而升高，且在前60 s升温较快，同时也证明了SMPU/4 wt%Mg支架具有良好的光热稳定性（图3a）。在形状记忆性能方面，研究人员记录了远程NIR照射过程中支架的形状回复（图3b，3c，3d和3e）。SMPU/4 wt%Mg支架具有最平衡的形状固定率和回复率，在恢复形状的过程中，支架可以举起超过其自身重量的1700倍的重物（图3f，3g和3h）。这些结果证明了支架具有良好的NIR响应性和力学支撑能力。
三、细胞实验和动物实验
研究人员考察了支架对于MC3T3-E1细胞的影响，均表现出较好的细胞活性和增殖能力（图4a）。ALP染色和ARS染色结果（图4b1）显示，与对照组和SMPU组相比，含Mg支架组可以有效促进BMSc细胞ALP和钙结节产生（图4b）。此外，研究人员用qPCR检测了Runx2和OST基因的表达，结果也证实了SMPU/4% Mg支架可以显著促进BMSc成骨分化（图4c）。另一方面，研究人员通过Micro-CT重建发现，与空白组（无支架）和SMPU支架组相比，SMPU/4% Mg支架植入后有更多的新生骨（图6a和6b）。H&E染色结果显示，与空白组和原始SMPU组相比，SMPU/4 wt% Mg组在各时间点均可发现更多的新骨组织（图6c）。这也证明了含Mg支架可以有效的促骨再生。
综上所述，文章报道了利用LT-RP 3D打印技术构建具有NIR响应的SMPU/Mg复合支架，以解决传统形状记忆材料孔隙率低、体温响应以及生物活性不理想的局限性。该支架在植入后可以利用NIR光远程调控实现紧密贴合缺损部位；随着Mg2+的稳定释放，最终实现了良好的骨再生，为发展新一代的远程调控智能骨修复支架提供了实验基础，具有很大的临床转化前景。
02
论文第一/通讯作者简介
第一作者：张原驰
中科院深圳先进技术研究院助理研究员，中科院特别研究助理，深圳市海外高层次人才“孔雀计划”（C类）。主要方向是用于骨修复的形状记忆复合材料的设计、合成和应用，3D打印智能生物活性材料等。已在Bioactive materials, Acta Biomateriali等国际权威期刊和国内外会议发表SCI论文和会议论文十余篇，申请发明专利4项，授权1项。
共同第一作者：李彩荣
中科院长深圳先进技术研究院助理研究员，主要研究方向为生物材料方向，现阶段研究内容包括用于骨组织修复材料的的设计与制备，物理与化学结构性能表征，以及骨组织修复材料在体外与细胞的相互作用与股修复材料的体内实验评估。相关研究工作在Bioactive materials，Chemical Engineering Journal等国内外期刊发表学术论文，多次在国际会议中对科研成果进行口头报告。
通讯作者：赖毓霄
主持了包括科技部重点研发计划、863 青年科学家项目、国家自然科学基金等国家及地方科技计划项目。荣获中国专利奖银奖、中国产学研合作创新奖、日内瓦国际发明展银奖、深圳市技术发明奖等奖项。团队在生物活性材料、3D打印、骨修复等方面积累了多年的研究经验及基础。围绕材料的生物学调控机制、功能化构建、新材料研发与临床转化开展研究，研发了一系列新型活性骨修复材料及其3D打印关键技术，发展了其治疗难治愈性骨缺损的临床转化研究。主要研究结果发表包括Biomaterials，Bioactive Materials等期刊论文50余篇，其中3篇入选ESI（1%）高被引论文。
课题组主页： http://tmc.siat.ac.cn/
通讯作者：张卫
中科院深圳先进技术研究院副研究员，深圳市海外高层次人才“孔雀计划”（B类）。主要从事新型生物材料和纳米药物的研发及临床转化工作，包括多功能生物活性材料、3D打印仿生制造技术、多功能纳米药物递送系统、医学影像引导的精准治疗等。已在Chem Soc Rev、Biomaterials、ACS Nano等国际权威期刊发表SCI论文30余篇，他引1500余次。申请中国发明专利及PCT10余项。主持国家自然科学基金、深圳市自然科学基金和中科院深圳先进院优秀青年创新基金等项目，作为骨干成员参与国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划和中科院战略先导科技专项等。
课题组主页：http://tmc.siat.ac.cn/
03
资助信息
该研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、中国科学院创新交叉团队项目、广东省重点领域研发计划、中国博士后科学基金的支持与帮助。
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原文信息
Yuanchi Zhang, Cairong Li, Wei Zhang, Junjie Deng, Yangyi Nie, Xiangfu Du, Ling Qin, Yuxiao Lai.
3D-printed NIR-responsive shape memory polyurethane/magnesium scaffolds with tight-contact for robust bone regeneration.
Bioactive Materials, 16, (2022) 218-231.
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Bioactive Materials是一本高质量英文期刊，目前已经被SCIE、PubMed Central、Scopus、Embase收录。同时本刊还入选了2019年中国科技期刊卓越行动计划--“高起点新刊”项目。
2022年Bioactive Materials 获得影响因子16.874 ，在Materials Science，Biomaterials领域排名第一。
位于《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区表》1区，TOP期刊。
CiteScore 2021: 14.3。