分级微孔结构精细调控的抗感染型陶瓷义眼座设计及高效血管化整合研究|Bioactive Materials
近期，浙江大学医学院附属第二医院/浙江大学眼科医院叶娟教授团队和浙江加州纳米技术研究院苟中入博士团队在科爱出版创办的期刊Bioactive Materials上联合发表研究性论文：分级微孔结构精细调控的抗感染型陶瓷义眼座设计及高效血管化整合研究。本文介绍了一种具有拓扑梯度分级微孔结构的多功能性钙-锌硅酸盐生物陶瓷义眼座，该多孔义眼座可以快速引导血管化并持续抗菌，降低因义眼座血管化不足而导致的暴露的风险，实现眼球摘除术后的眼窝重建，是下一代眼眶重建整形的良好选择。
01
研究内容简介
眼球摘除术常用于治疗严重眼外伤、眼内炎、终末期青光眼、眼内恶性肿瘤或其他危及生命的眼球损毁，每年仍有大量患者需接受眼球摘除手术。义眼座作为一种眼眶植入物，在摘除眼球后联合义眼片放置在患者的无眼球眼窝内，可弥补缺失的眼眶容积，维持稳定的眶内结构，并能修复患者容貌和面部整形效果。目前，临床义眼座制品存在血管化效率低、自主抗感染性能严重不足，时常出现感染、暴露等术后并发症风险。
锌黄长石(Ca2ZnSi2O7)陶瓷具有良好生物相容性，但是较为生物稳定，降解极为缓慢，不过一些研究证实该陶瓷能抑制细菌粘附、生长，并促进内皮细胞增殖、血管生成等，这为其在眼眶整形适应症应用方面提供了多种性能支持。另一方面，义眼座的孔道为细胞迁移、营养物质交换，以及血管组织的生长提供了必需的空间，孔道结构是影响和调控义眼座血管化性能的重要因素之一。但是，孔道尺度水平、孔道拓扑结构以及陶瓷表面特性在义眼座方面的研究一直是空白。
本研究的目标是开发一种具有分级微孔结构的锌黄长石生物陶瓷义眼座，基于高精度的数字光处理(DLP) 3D打印技术，运用分级微孔设计策略，利用三周期极小表面(TPMS)的IWP孔道拓扑结构模型，提高生物陶瓷植入物血管化性能，并从体外、体内系统地评价了分级微孔梯度结构设计对结构稳定性和生物学功效的影响。
一、3D打印分级多孔生物陶瓷的表征
1．微孔结构表征
从义眼座中心到周边径向变化的较小、较大微孔（500μm，800μm）分级多孔支架结构设计，包括从中心到外围从大到小梯度微孔(P800-500)、从小到大梯度微孔(P500-800)，以及均匀分布的较小、较大微孔结构 (P500、P800)。通过microCT重建的2D/3D图像和对样品的扫描电镜观察，验证样品内部的分级微孔结构。
图1 四种不同微孔分布多孔陶瓷的形貌和内部微结构观察
2．力学及降解性能表征
在四组支架中，P500和P800的抗压强度显著优于P800-500和P500-800组的强度。从体外缓冲溶液浸泡降解实验中可见，分级微孔结构P800-500和P500-800组的支架质量比大孔P800组更为稳定，6周后失重仅仅在4%以内，表明该类多孔生物陶瓷极为稳定。
图2 多孔陶瓷的(A)抗压强度,(B)应力-应变曲线,(C)降解速率和(D-F) 功能离子释放情况
二、体外抗菌及细胞学性能评价
各组多孔陶瓷对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性大肠杆菌均具有良好的抑菌性能，且抗菌性能明显高于羟基磷灰石(HA)陶瓷。在细胞实验中，HUVECs的荧光染色分布图像显示，分级微孔结构P800-500和P500-800组的细胞黏附密度均维持较高水平，锌黄长石多孔陶瓷在VEGF基因表达上优于HA陶瓷组。CCK-8实验结果示， HUVECs在多孔陶瓷上均保持了持续增殖活性。
图3 支架抗菌性能(A-C)及血管内皮细胞在其表面粘附、增殖及VEGF表达(D-G)
三、体内原位修复效果及血管化程度评价
在本研究中，团队设计了直径为12mm的球形锌黄长石义眼座，以羟基磷灰石义眼座(HA)为对照，用于原位眼球摘除的动物眼眶整形模型评估。在植入4周后观察，sP800-500和sP500-800组手术眼结膜囊完全愈合稳定，HA组创面区域仍有少量渗出和轻度炎症反应。H&E染色显示，术后4周时sP800-500组外围微孔区已有纤维血管组织长入，但中心区未见明显纤维血管组织，sP500-800组纤维血管组织已完全长入中心孔区，HA组周围孔区虽然有大量小血管浸润，但中心区仍无明显纤维血管组织。
图4 新西兰兔眼球摘除动物模型构建及支架体内血管化程度评价
综上，本研究通过计算机辅助的拓扑结构设计和DLP技术制备了分级微孔结构的锌黄长石支架用于眼窝重建，并系统地评价了四种不同多孔结构锌黄长石支架的特性。结果表明，分级微孔结构的多孔陶瓷(P500-800)可提高细胞的接种能力，并支持细胞增殖和血管生成相关基因表达；此外，该分级微孔结构的义眼座在兔眼球摘除动物模型中表现出快速血管化和良好的术后恢复效果，有望成为下一代义眼座的良好前景。
02
论文第一/通讯作者简介
第一作者：王静怡
医学博士，主治医师，从事眼整形及眼眶病的临床和基础研究工作，主持国家自然科学基金1项，发表SCI期刊论文10余篇。
通讯作者：叶娟
医学博士，教授、博士生导师。现任浙江大学眼科医院副院长、浙大二院眼科中心副主任、眼肿瘤及整形科主任、浙江省眼部疾病临床医学研究中心负责人。国家“万人计划”领军人才，国家“重点研发计划”首席科学家，中华医学会眼科学分会委员、专家会员，中华医学会眼科学分会眼整形眼眶病学组副组长，浙江省医学会副秘书长，浙江省医学会眼科学分会候任主委，《中华眼科杂志》编委。叶娟教授主要从事眼表疾病、眼整形眼眶病的临床和基础研究工作，近年来结合材料学、计算机科学、纳米技术、组织工程技术，在眼表、眼睑、眼眶的损伤愈合机制研究和整复治疗材料研究领域作了大量工作，获国家重点研发计划、国家区域创新发展联合基金、国家十二五科技支撑计划等国家级、省部级重大科研项目。以第一作者、通讯作者发表SCI论文80余篇，获得中华医学科学技术二等奖、浙江省科技进步二等奖、浙江省医药卫生科技进步特等奖等多项科研奖励。
通讯作者：苟中入
浙江加州纳米技术研究院，博士，副研究员，中国生物材料学会生物陶瓷分会委员，浙江省转化医学会干细胞与再生医学分会委员。目前从事骨科、口腔科、眼科等临床学科医用(纳米)植入再生修复新材料、细胞生物学、微创治疗新技术的基础和转化研究；承担国家自然科学基金、科技部重点研发计划项目、浙江省科技厅、省自然基金及企业/临床机构合作课题等20余项。在国际刊物Bioact Mater, Acta Biomater, Biofabrication, ACS Appl Mater Interf, Tissue Eng, J Am Ceram Soc，J Euro Ceram Soc等发表学术论文100余篇，申请发明/实用新型专利40余项（获授权30余项）。
03
资助信息
该研究获国家自然科学基金(81870635, 82000948)、国家重点研发计划（2017YFE0117700）和浙江省自然科学基金 (LY20H120007)的支持。
04
原文信息
Jingyi Wang, Yiyu Peng, Menglu Chen, Xizhe Dai, Lixia Lou, Changjun Wang, Zhaonan Bao, Xianyan Yang, Zhongru Gou, Juan Ye.
Next-generation finely controlled graded porous antibacterial bioceramics for high-efficiency vascularization in orbital reconstruction.
Bioactive Materials, 16, (2022) 334-345.
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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。