生物磁性打印构建有序微纳分级仿生基质材料诱导内源性骨再生研究

How to construct biomimetic bone matrix scaffold with orderly collagen arrangement and micro-/nano-structure as natural bone and in situ recruit endogenous stem cells and osteogenic differentiation/angiogenesis is a key issue that urgently needs to be solved in the current bioprinting research on repair of bone defects. .Traditional bioprinting cannot construct a micro-/nano-structure similar to that of natural bone. The preliminary work of our group confirmed successful regulation of orderly collagen / peptide arrangement with the use of a certain intensity of magnetic field. Therefore, our group conceive the use of magnetic bioprinting equipment composed of bioprinter and magnetic field excitation device to construct a micro-/nano-orderly bionic structure similar to that of natural bone. Using natural DBM with good osteogenic activity and small intestinal submucosa (SIS) with agiogenesis as a bio-ink, to recruit endogenous stem cell migration homing, proliferation, and differentiation through efficient loading of aptamers, osteoinductive active peptides P28 and vascular endothelial growth factor (VEGF), to realize in situ bone regeneration. .This project will overcome the disadvantage of failure modulation of orderly microstructure, the insufficiency ability of recruitting endogenous stem cells and lack of osteogenic/angiogenic with current bioprinting for bionic bone matrix scaffold. It is the first attempt to construct a biomimetic bone matrix scaffold by using magnetic bioprinting technology and will provide a new solution for exploring the in situ osteoinductive biomaterial for constructing an orderly in-situ micro-/nano-hierarchical structure.

如何构建与天然骨类似的有序微纳分级结构的仿生骨材料、原位募集内源性干细胞迁移归巢、诱导成骨/成血管分化，是当前骨修复材料研究亟待解决的关键问题。.传统生物打印可构建出具有三维多孔宏观梯度结构的支架材料，却无法获得与天然骨类似的有序微纳结构。本团队长期从事骨组织工程和生物打印研究，预实验结果表明可利用磁场控制胶原的有序排布来调控材料微纳结构。本课题将生物打印技术和磁场激发装置有机结合，构建生物磁性打印体系，以具有良好成骨活性的脱钙骨基质和成血管活性的小肠粘膜下层脱细胞基质为生物墨水，获得和天然骨类似的微纳/宏观仿生结构；通过高效负载核酸适配体、骨诱导活性多肽及血管内皮生长因子，靶向募集内源性干细胞迁移归巢，诱导其成骨/成血管分化，原位诱导骨再生。.本课题利用生物磁性打印技术构建仿生骨材料，可能克服传统生物打印技术无法精细调控有序微观结构的缺点，可为仿生骨诱导材料的制备提供新的思路。

如何构建与天然骨类似的有序微纳分级梯度结构的仿生骨基质材料，能原位募集内源性干细胞迁移归巢,诱导其成骨/成血管分化, 是当前骨缺损修复生物打印亟待解决的关键性问题。三维生物打印作为近年来兴起的增材制造技术，可以定制化制备出三维多孔结构的仿生骨诱导材料，但是传统生物打印技术无法对微纳米分级及有序排列等更为精细的结构进行调控。. 因此，本项目在长期从事骨组织工程和生物打印研究的基础上，提出通过生物打印机与磁场激发装置组成的生物磁性打印设备，构建与天然骨类似的微纳有序梯度仿生结构，以天然的有良好成骨活性的预矿化脱钙骨基质 (DBM) 和成血管活性的小肠粘膜下层脱细胞基质 (SIS) 为生物墨水，通过高效负载核酸适配体、骨诱导活性多肽P28 以及血管内皮生长因子VEGF，靶向募集内源性干细胞迁移归巢，诱导其成骨/成血管分化，原位实现骨缺损修复再生。. 结果表明，团队制备了适用于生物打印的SIS生物活性墨水和特异性靶向募集BMSCs的核酸适配体Apt19S, 并将核酸适配体Apt19S和骨诱导活性肽pBMP2进行负载，打印出多种仿生骨诱导性ECM支架，验证了其在体内外良好的成骨/成血管性能。其次，为了实现生物磁性打印对ECM材料微纳有序梯度仿生结构的调控，通过CAM软件控制和双喷头打印实现了DBM和SIS两种ECM的平行打印，并且通过在打印基板上设置不同强度磁场，初步探究了如何利用磁性打印引导ECM胶原纤维的有序排列，进一步完成材料成形区域内磁场强度的测试工作，为研究磁场对 ECM材料打印的调控规律奠定了基础。. 综上，本项目不仅制备了SIS生物活性墨水，同时负载核酸适配体Apt19S和骨诱导活性肽pBMP2构建骨诱导性ECM支架，以原位实现骨缺损修复再生，并且探究了如何利用磁性打印引导ECM胶原纤维的有序排列，为研究磁场对 ECM材料打印的调控规律并构建与天然骨类似的微纳有序梯度仿生结构提供借鉴，将来有望克服传统生物打印技术无法精细调控有序微观结构的缺点，具有一定的科学意义和临床应用前景。