3D打印MoS2复合生物活性玻璃支架的制备及其抗肿瘤/骨修复协同一体化研究

Bone tumors have a high morbidity and mortality. The single resection treatment, postoperative tumor recurrence and the difficulty of large bone defects repairing lead to the failure of bone tumor treatment. To solve these problems, a novel idea has been proposed on building a synergic and integrative anti-tumor / bone repairing composite bone scaffold (MPf-BG) by combining nano MoS2 with excellent photothermal anti-tumor function and good osteogenesis borate bioactive glass (BG) together. In this study MoS2 is chemically modified and fixed into PLGA for slow release. Then the MoS2-PLGA film is covered on the surface of three-dimensional printed BG scaffold, and finally MPf-BG is obtained. Being implanted into the bone tumor resection site, MPf-BG can repair bone defects and treat bone tumor through photothermal anti-tumor effect which can be controlled by adjusting the intensity of external light. As a result, we achieve the synergic and integrative bifunctional materials for post-operative treatment of bone tumors. The anti-tumor/bone repairing ability of MPf-BG will be evaluated, the relationship among MoS2, PLGA, BG in MPf-BG and the relationship between MPf-BG and organism will be investigated, and the mechanism of MPf-BG on organism will be explored and clarified. This project will explore new ideas and provide new materials for the tissue engineering.

骨肿瘤具有很高的致残率和死亡率。单一的切除治疗、术后肿瘤复发及难以修复大段骨缺损，造成治疗失败。本研究针对其治疗特殊性，提出将具有良好光热抗肿瘤功能的纳米MoS2与优良成骨功能的硼酸盐生物活性玻璃（BG）结合，以构建具有抗肿瘤/骨修复协同一体化治疗的复合材料（MPf-BG）的设计思路。拟将修饰后的MoS2，通过化学连接引入到PLGA缓释体系中得到MoS2-PLGA，再以薄膜（MPf）形式涂覆到3D打印的BG支架上，获得MPf-BG。肿瘤切除手术后植入该支架，可在进行骨修复的同时，通过外界激光强度来控制体内局部温度，以温热灼烧剩余或复发的癌细胞，最终达到抗肿瘤和骨修复协同一体化治疗。本研究将评价MPf-BG的抗肿瘤/骨修复协同功能；揭示MPf-BG中MoS2、PLGA、BG之间及MPf-BG与生物体之间关系规律；探索并阐明MPf-BG作用机理。本项目的实施将为骨肿瘤治疗辟新思路、提供新材料。

按照任务书的目标和要求开展研究工作，本研究针对骨肿瘤很高的致残率和死亡率，且目前临床单一的切除治疗、术后肿瘤复发及难以修复大段骨缺损的治疗特殊性，构建了基于光热抗肿瘤功能的纳米MoS2与具有优异成骨功能的硼酸盐生物活性玻璃（BG）的具有抗肿瘤/骨修复协同一体化治疗功能的复合材料（MPf-BG）体系。研究基本按计划完成，并且在完成项目研究内容基础上根据实际应用需求进行调整，本研究将调整MPf组成、BG与MPf配比和3D打印工艺以达到高机械强度、高光热转化率、高降解匹配速率、高生物活性等指标；在细胞、基因、动物水平上综合评价MPf-BG的抗肿瘤/骨修复协同功能；揭示MPf-BG中MoS2、PLGA、BG之间及MPf-BG与生物体之间关系规律；探索并阐明MPf-BG作用机理。主要进展如下：在本项研究中，构建具有抗肿瘤/骨修复协同一体化治疗功能的复合材料研究体系，首先制备了有光热转换功能的纳米MoS2，随后通过化学配位键结合的方式引入到PLGA缓释体系中得到MoS2-PLGA，再以薄膜（MPf）形式涂覆到3D打印的BG支架上，获得MPf-BG复合支架。研究发现复合MPf-BG支架可以快速有效地升高温度，并且在808 nm激光照射下表现出优异的光热稳定性。值得注意的是，BGM支架可有效降低骨肉瘤细胞(MNNG/HOS)在体外的活力，并抑制裸鼠体内的肿瘤生长。此外，制备的BGM支架可以显著有效地刺激大鼠骨间充质干细胞（rBMSCs）的增殖和分化，体外上调成骨相关基因（Runx-2、OCN和Col-I）的表达，促进SD大鼠体内骨缺损的修复。通过以上实验结果表明，我们获得的3D打印MoS2复合生物活性玻璃支架，可以通过调整外界激光强度来控制体内局部温度，利用其光热性能杀死手术后残剩或复发的癌细胞，与此同时其具有优异的体内外生物相容性及成骨性能。本项目的实施将为骨肿瘤治疗开辟新思路、提供新材料。