基于生物3D打印技术制备促血管化骨组织工程支架及其应用

In the application of bone tissue engineering scaffold for repair bone, it is essential to promote the internal vascularization. In this case，constructing the bone tissue engineering by biological three-dimensional (3D) printing technology has become a hot spot in the bone tissue engineering. However, how to develop the bone repair scaffold with superior properties remains a significant challenge, such as can promote internal vascular, has good mechanical properties, and ensure the cell viability. In this project, rabbit jugular endothelial cells (RJVECs) and bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) will blended with hydrogel to fabricated the bone scaffold with 3D printing. RJVEC and BMSC were used to induce vascularization and induce osteogenesis later. For the poor mechanical properties of 3D bio-printing hydrogel scaffold, Polycaprolactone/nano hydroxyapatite (PCL/HAp) will be used to print the outer mechanical support structure of bone scaffold. In addition, the cells have poor viability in 3D bio-printing hydrogel scaffold without channel. Therefore, the thermosensitive hydrogel, Pluronic F-127 will be used to print and wash out, which to fabricate the inner microchannel structure in the hydrogel scaffold. In this study, the biological properties and osteogenic activity of the composite scaffolds will be systematically investigated by in vitro and in vivo experimental. Additionally, we will explore the probable ability and mechanism of vascularization in 3D bio-printing bone tissue engineering scaffold. The implementation of this project will provide the experiment evidence for constructing novel bone scaffolds in bone defect treatment.

在应用骨组织工程支架修复骨的过程中，支架内部血管化问题极其重要。针对临床上大段骨缺损的修复难题，利用生物三维（3D）打印技术制备骨组织工程支架已经成为当前的研究热点，然而如何构建可促进支架内部血管化、且保证支架的力学性能与内部细胞活力的骨修复支架仍需探索。本项目拟将兔自体颈静脉内皮细胞（RJVECs）和骨髓间充质干细胞（BMSCs）分别与水凝胶混合生物3D打印，利用RJVEC和BMSC前期诱导血管化，后期诱导成骨。针对于生物3D打印水凝胶支架力学性能较差的问题，拟利用聚己内酯/纳米羟基磷灰石（PCL/HAp）打印外层力学支撑结构。此外，针对于生物3D打印水凝胶内部无通道结构导致细胞活力不足的问题，拟利用泊洛沙姆材料在水凝胶材料中打印后洗去得到内部微通道。研究中，通过系统性研究该生物3D打印支架的体内外生物学性能及骨缺损修复效果，探明该支架的促血管化能力与机制，为构建新型骨修复材料提供依据。

组织工程作为解决临床组织、器官缺损的未来最佳治疗方法，虽然经历了长足的发展，但是如何实现其从实验室到临床转化仍困难重重。这是因为它不仅受到医学发展进步的影响，同时亦深受材料学、工程学、生物学等多个学科的限制。本研究中，主要立足于生物3D打印技术的出现，利用其在组织工程支架制备的技术优势，从材料科学到临床进行了大量的探索性工作，为生物3D打印技术在组织工程领域的应用提供了数据支持和理论基础。.具体的，本研究首先从生物3D打印技术制备椎间盘支架和皮肤支架上进行了探索，发现生物3D打印技术面临的材料匹配困难、打印精度低、大块组织工程支架难存活等科学问题。提出了生物3D打印新材料和新技术的开发，并将之结合后应用到组织再生领域。包括基于脱细胞基质生物墨水的制备及其在体内外软骨再生，双层皮肤支架用于抑制瘢痕增生，低温冷冻沉积生物3D打印骨支架用于干细胞行为调控和骨再生。.该研究较为系统的从材料学入手，结合生物3D打印加工技术组织工程支架，并进一步对其临床前应用进行初步探索，主要结论有：.①生物3D打印技术可以很好地实现材料、细胞、因子有机结合，制备具有成分、结构匹配天然组织或器官解剖结构的组织工程支架，并发挥其生物学功能；.②材料匹配困难、打印精度低、大块组织工程支架难存活等问题是当前生物3D打印在组织工程应用的主要问题；.③基于脱细胞基质材料制备的生物墨水既可以实现从微观结构到宏观结构方式，以及成分仿生，具有作为生物3D打印墨水的应用潜力；.④静电直写生物3D打印技术可以极大地提高打印精度，通过构建多层软骨支架，发现其既可以促进多层软骨再生，同时亦能够通过因子的负载减少炎症反应的发生；.⑤低温冷冻沉积生物3D打印技术适用于制备多种层级互联的多孔骨支架，并且通过多孔结构有效的调节干细胞的旁分泌作用，进而发现在体内更好的促进血管化和成骨再生。