中科院深圳研究院阮长顺《AFM》仿石屋构筑微球图案化支架 精准调控微形貌加速骨再生修复
- 2026-04-18 20:54:56
中科院深圳研究院阮长顺《AFM》仿石屋构筑微球图案化支架 精准调控微形貌加速骨再生修复
核心速览 
通讯作者 ：阮长顺 研究单位 ：中国科学院深圳先进技术研究院、中国科学院大学、四川大学华西口腔医学院 
甲基丙烯酸酯化海藻酸钠（AlgMA）| GMP生产 | 500元每克 研究背景 大段骨缺损修复一直是骨科临床难题，生物材料支架的表面物理微形貌能有效提升骨传导性，且无化学修饰潜在细胞毒性。传统 3D 生物打印支架分辨率约 200 微米，难以直接构建微纳形貌，后处理改性又存在溶剂残留、结构破坏、形貌不可控等问题。本研究受石屋堆砌结构启发，以聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物微球为 “石”、甲基丙烯酸化海藻酸钠水凝胶为 “砂浆”，开发新型生物打印策略，一步制备具备可调沟槽 - 脊状微形貌的支架，无需后处理即可实现稳定骨传导微结构，为大段骨缺损修复提供全新方案。 技术实验 1. 仿石屋生物打印支架的制备与油墨表征 研究设计 “石 - 砂浆” 复合生物墨水，以紫外交联型聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物微球为 “石”，甲基丙烯酸化海藻酸钠为 “砂浆”，通过挤出式生物打印制备支架。 油墨流变测试显示，复合墨水具备典型剪切变稀行为，可在 10 秒内紫外快速固化，满足生物打印需求；当甲基丙烯酸化海藻酸钠浓度为 7%（质量体积比）、微球浓度为 20%（质量体积比）时，打印成型性最优。 纯甲基丙烯酸化海藻酸钠支架打印超过 5 层即塌陷，复合微球的支架可保持完整结构，浸泡磷酸盐缓冲液 14 天微形貌稳定无坍塌。 该策略可拓展至卡波姆、明胶、聚乙二醇二丙烯酸酯 / 纳米黏土等多种墨水，实现水相体系聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物基支架的生物打印。 
图 1 ：展示了基于 “石 - 砂浆” 复合墨水的微球图案化支架制备流程、油墨流变性能与支架微观形貌。 2. 支架微形貌的精准调控与理化性能 通过筛选不同粒径微球，制备三组微球图案化支架，沟槽 - 脊状结构宽度分别约 25、55、85 微米。 表面粗糙度随微球粒径增大而升高，溶胀平衡后粗糙度分别为 40.20±3.78、55.10±4.83、84.27±3.59 微米（n=4），沟槽宽度由微球粒径直接决定。 压缩模量随微球粒径增大而升高，三组支架模量分别为 11.11±5.71、23.34±7.03、47.33±7.04 千帕（n=6），小粒径微球更易分散应力，提升材料弹性形变能力。 扫描电镜与亚甲基蓝染色证实，海藻酸钠分子完全包裹微球，“石 - 砂浆” 结合紧密，支架无裂纹、孔隙均匀。 
图 2 ：展示了微球图案化支架的宏观形貌、微形貌调控规律、粗糙度与力学性能定量数据。 3. 体外细胞行为评价 在 37℃、5% 二氧化碳培养环境下，采用人骨髓间充质干细胞、人脐静脉内皮细胞评估支架生物学性能。 细胞招募实验显示，培养 24 小时后，微球图案化支架可显著聚集细胞，招募细胞数量随微球粒径增大而增多（n=4）。 增殖实验表明，早期细胞更倾向黏附于大宽度、高模量微结构，后期小宽度（25 微米）支架更利于细胞通讯与增殖。 成骨分化检测显示，培养 14 天后，25 微米宽度组碱性磷酸酶活性最高，骨形态发生蛋白 2、 Runt 相关转录因子 2、碱性磷酸酶基因表达量显著上调（n=4，p<0.05），成骨诱导活性最优。 
图 3 ：展示了支架对人骨髓间充质干细胞的招募、增殖、铺展及成骨分化调控效果。 4. 体内免疫调控与骨再生实验 构建小鼠皮下植入模型与兔颅骨大段缺损模型（缺损直径 7 毫米，n=4），评估体内修复效果。 小鼠植入 5、10 天后，微球图案化支架可有效促进细胞浸润，25 微米宽度组更利于促再生 M2 型巨噬细胞极化，调控免疫微环境。 兔颅骨植入 12 周后，显微 CT 显示 25 微米宽度组骨体积分数为 24.66±2.97%、骨矿化密度为 0.2104±0.0374 克每立方毫米，骨再生效果显著优于其他组（p<0.05）。 组织学染色与免疫组化显示，25 微米宽度组新生骨组织致密、血管生成丰富，骨桥蛋白、Runt 相关转录因子 2、血小板 - 内皮细胞黏附分子表达量最高。 
图 4 ：展示了小鼠皮下植入后支架的细胞浸润与免疫调控情况。 
图 5 ：展示了兔颅骨缺损修复 12 周的显微 CT 成像与骨参数定量分析结果。 
图 6 ：展示了修复区域组织学染色与成骨、血管生成相关蛋白表达情况。 
图 7 ：展示了沟槽 - 脊状微形貌在早期与后期对细胞行为的调控机制。 结论与展望 本研究首创仿石屋生物打印策略，一步构建具备可调沟槽 - 脊状微形貌的微球图案化支架，无需后处理即可实现稳定、可控的骨传导微结构。25 微米宽度的微形貌在体外可高效促进干细胞招募、增殖与成骨分化，体内可调控免疫响应、加速血管生成与骨再生，修复效果显著优于 55、85 微米组。该策略通用、高效、无生物毒性，为组织工程支架的活性微结构设计提供全新思路，未来可结合个性化生物打印，适配不同部位骨缺损修复，推动临床转化应用。 原文信息 
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文献标题：A Stone‐Cottage‐Inspired Printing Strategy to Build Microsphere Patterned Scaffolds for Accelerated Bone Regeneration
发表期刊：Advanced Functional Materials
发表时间：2024 年
DOI：10.1002/adfm.202417836
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