骨腫瘤治療福音，上海硅酸鹽所3D列印功能性生物陶瓷支架研究取得系列進展

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，中國科學院上海硅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硅酸鈣鋰(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，得到的硅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。硅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，硅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-軟骨界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界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列印技術製備硅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 離子通過協同激活缺氧誘導因子(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 離子通過協同作用激活軟骨細胞自噬作用，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界面結構。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被報道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硅酸鹽所在讀博士生黨文濤，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道 (Scaffold material sheds light on bone tumor therapy, 5 March 2018)。

相關研究工作得到了中組部青年千人計劃、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劃的資助。

3D列印硅酸鈣鋰（Li4Ca4Si4O13）生物陶瓷支架用於骨-軟骨修復示意圖。Biomaterials 2018; Doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.04.005.

3D列印硅磷酸鍶（SPS）生物陶瓷支架展示出良好的骨-軟骨界面修復效果，A1-C4材料植入8周，(A1-4)空白對照組，(B1-4)TCP組，(C1-4) SPS組；D1-F4材料植入12周，(D1-4)空白對照組，(E1-4)TCP組，(F1-4)SPS組。SPS生物陶瓷支架組較空白對照組和TCP組顯著促進骨-軟骨及其界面的修復。Theranostics 2018;8:1940-1955.

CuFeSe2納米晶原位生長在3D列印生物玻璃-陶瓷支架表面的製備方法以及在骨腫瘤治療與修復中的應用示意圖。Biomaterials 2018; 160：92-106.

相關論文鏈接：

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0142961218302448

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961217307494

180頁3D列印行業應用白皮書（2018）

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