Composites Part B：可定制化45S5陶瓷支架協同外泌體構建血管生成-成骨耦合微環境加速骨再生

由先天性畸形、嚴重創傷、惡性腫瘤和感染引起的骨缺損是臨床實踐中的重要問題。目前臨床骨移植物有三個關鍵性需求，1.可定制化強；2.血運重建好；3成骨性能優異。因此，優先開發能夠通過增強血管生成-成骨耦合機制，有效促進血管化骨再生的可定制化生物活性材料，是目前骨組織工程中不可或缺的部分。最近，青島大學附屬醫院西永明教授團隊（山東泰山學者特聘專家）與上海交通大學附屬第九人民醫院骨科王金武教授（科技部項目首席科學家）團隊合作，針對骨組織工程中血管化不足及可定制化的問題，從生物活性支架及細胞間通訊兩個方面出發，設計出一種可以通過增強血管生成-成骨耦合作用，有效加速骨再生的可定制化的45S5生物活性支架。

研究團隊介紹，商品化生物活性玻璃(45S5)因其良好的生物相容性、骨誘導性和骨整合特性而被用于骨修復，基于45S5的生物活性陶瓷支架通常是通過聚合物泡沫復制來制備的，但這些方法存孔道結構不連通、孔隙率低、力學性能差、缺乏個性化等問題，不能滿足血管化骨再生的臨床需求。同時，45S5還面臨成形性差和易坍塌的弊端，不能有效地進行3D打印以構建臨床所需的可定制化生物活性陶瓷支架。因此，迫切需要設計能夠進行3D打印的生物活性玻璃前驅體，滿足骨缺損的臨床可定制化需求，實現血管化骨再生的需求。而來源于內皮祖細胞的外泌體(EPC-exos)表現出與其親本細胞相似的性質，可通過自分泌或旁分泌機制被受體細胞內化，直接參與血管生成和血管網絡的重建，但是內皮祖細胞外泌體促進骨再生的機制尚不明確。

該研究團隊通過對45S5前驅體進行雙鍵改性，合成了可快速光固化的45S5前驅體(PG)，并將PG作為磷酸三鈣(TCP)粉末的粘結劑，通過基于光聚合的3D打印技術，一步法制備了可定制化的PG/TCP(PT)支架；同時為了提高PT支架的血管化骨再生能力，將GelMA包裹的EPC-exos錨定在PT支架上，構建了一種無細胞的PG/TCP/GelMA@Exos(PT/G@Exos)生物活性陶瓷支架，通過增強血管生成-成骨耦合作用，加速血管化骨再生，最終體內外有效加速骨再生。

研究圖例：內皮祖細胞來源的外泌體賦予可光固化3D打印45S5陶瓷支架，增強血管生成-成骨耦合加速骨再生

研究發現，內皮祖細胞外泌體攜帶的miRNAs可以通過P38/MAPK信號通路促進大鼠BMSC的成骨分化，我們構建的復合支架可以通過負載的外泌體模擬內皮祖細胞介導的血管-骨交流來發揮內皮祖細胞對骨再生微環境的調節作用，以增強血管生成-成骨耦合作用，最終有效促進骨再生。

團隊于2024年4月23日，在復合材料領域頂刊《Composites Part B: Engineering》(中科院1區TOP期刊，影響因子13.1, JCR“工程綜合領域”179種期刊排名第1位)在線發表了該研究成果。西永明教授博士研究生孔維慶為論文第一作者，研究方向為3D打印、骨修復的血管化調控。項目依托于山東省泰山學者基金(NO.ts20190985)、青島市科技惠民項目計劃（NO.23-2-8-amjk-9-nsh）、國家重點研發計劃（NO.2022YFA1207500/NO.2022YFA1104600）及上海交通大學生物材料及再生醫學合作研發項目（NO.2022LHBO8）及上海市骨科內植物重點實驗室開放課題(No.KFKT202206)的資助。

作者簡介

通訊作者：西永明，二級教授、主任醫師、博士研究生及博士后合作導師，青島大學附屬醫院骨科醫院副院長兼脊柱外科病區主任，山東省創傷骨科研究所副所長，青島大學空間應用與技術研究院院長，青島大學醫學大數據中心主任，山東省 “泰山學者特聘專家”，青島市專業技術拔尖人才。研究方向：智能輔助診療系統，骨科生物材料的研發以及骨代謝相關基礎研究。先后在核心期刊發表學術論文70余篇。授權國內外專利16項。參編包括《腰椎間盤突出癥》、《頸椎外科學》等著作5部。承擔國家重大課題空間生命項目、國家自然科學基金和多項省部級課題。先后獲得省部級科技獎勵4項，其中第一完成人獲山東科技進步獎2項，山東省醫學科技成果一等獎1項。

通訊作者：王金武，教授，上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院骨科主任醫師，博士研究生及博士后合作導師。十三五和十四五科技部二個國家重點研發計劃首席科學家，轉化醫學國家重大科技基礎設施（上海）創新醫療器械注冊研究與臨床轉化服務中心主任、數字醫療與生物3D打印實驗室主任，中國生物材料學會生物材料先進制造分會副主任委員，中國醫藥生物技術協會3D 打印技術分會副主任委員等。長期致力于骨關節外科、數字醫學、骨關節生物3D打印及骨科康復領域，先后承擔了包括十三五科技部重點研發計劃（生物3D打印）、十四五科技部重點研發計劃（數字醫學與微納米生物材料）、科技部“863”“973”子課題等國家級課題10項。第一作者或通信作者發表包括Nature與Science旗下子刊等高影響因子論文100余篇。以第一完成人獲得2022年度上海市技術發明一等獎，項目名稱“四肢骨關節炎的數字化診療關鍵技術與裝備開發”。榮獲教育部科學技術一等獎、上海醫學科技一等獎、上海康復醫學科技一等獎和中華醫學科技進步一等獎、江蘇醫學科技獎、吉林省科學技術一等獎等。

參考鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111455

本文由孔維慶供稿