大段骨缺損的修復是臨床上的一大挑戰(zhàn)，3D打印技術由于精度高、可個性化定制而廣泛用于制備骨組織工程支架。人體骨組織具有復雜精密的多級結構，骨的外層為致密的皮質(zhì)骨，內(nèi)含相互連通的哈弗斯管和福爾克曼管并有血管和神經(jīng)穿過，骨的內(nèi)部為多孔網(wǎng)狀的松質(zhì)骨，內(nèi)含骨髓間充質(zhì)干細胞。傳統(tǒng)的骨組織工程支架不具備骨的復雜仿生結構和多細胞組成，從而限制其血管化骨再生活性，因此制備既滿足骨的結構和力學需求，又能發(fā)揮多細胞功能的支架顯得尤為重要。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員與常江研究員帶領的研究團隊在3D打印仿哈弗斯骨結構生物陶瓷支架用于多細胞遞送和骨組織再生方面取得新進展。該研究團隊通過模擬骨的多級結構及多細胞組成，采用光固化3D打印技術制備出仿哈弗斯骨結構生物陶瓷支架，并負載骨髓間充質(zhì)干細胞和內(nèi)皮細胞，促進血管化骨的修復。該研究成果近日發(fā)表在Science子刊Science Advances雜志(Sci. Adv. 2020; 6 : eaaz6725)上，并申請專利一項。論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生張猛，指導教師為吳成鐵研究員。

該團隊將骨的哈弗斯管、福爾克曼管及松質(zhì)骨三部分結構一體化打印，通過改變哈弗斯管數(shù)量、直徑以及福爾克曼管數(shù)量實現(xiàn)了對結構的精細調(diào)控，同時也實現(xiàn)了對力學強度及孔隙率的調(diào)控，能夠滿足不同患者的個性化定制需求。該研究還模擬骨的多細胞組成，將具有成血管作用的內(nèi)皮細胞負載于哈弗斯管，將具有成骨作用的骨髓間充質(zhì)干細胞負載于松質(zhì)骨結構，并將兩種細胞共培養(yǎng)，實現(xiàn)了多細胞的負載與運輸，顯著促進了兩種細胞的增殖以及各自成骨、成血管基因的表達。動物體內(nèi)實驗表明負載兩種共培養(yǎng)細胞支架的體內(nèi)成骨、成血管效果顯著優(yōu)于單培養(yǎng)細胞支架及無細胞支架，體現(xiàn)了這種多細胞遞送系統(tǒng)的血管化骨修復能力。這種基于仿哈弗斯骨結構的多細胞遞送系統(tǒng)還可以遞送多種骨組織常駐細胞，由于哈弗斯管內(nèi)有血管和神經(jīng)并行穿過，該團隊還將具有神經(jīng)修復作用的雪旺細胞負載于哈弗斯管內(nèi)，將骨髓間充質(zhì)干細胞負載于松質(zhì)骨結構，發(fā)現(xiàn)負載兩種共培養(yǎng)細胞支架的成神經(jīng)基因表達顯著優(yōu)于單培養(yǎng)細胞支架，體現(xiàn)了這種基于仿哈弗斯骨結構支架的多細胞遞送系統(tǒng)的普適性特征，可模擬體內(nèi)多細胞組織工程的再生微環(huán)境。

相關研究得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金、中國科學院創(chuàng)新交叉團隊等基金的資助。

3D打印仿哈弗斯骨結構支架遞送成骨及成血管相關細胞用于血管化骨再生。

3D打印仿哈弗斯骨結構生物陶瓷支架形貌表征，（A-C）不同哈弗斯管直徑和數(shù)量支架的光學顯微鏡照片，（a-c）不同哈弗斯管直徑和數(shù)量支架的micro-CT圖像，（F-H）不同直徑哈弗斯管的電鏡照片，（I）松質(zhì)骨結構電鏡照片，（J）支架表面燒結情況電鏡照片。

仿哈弗斯骨結構支架用于體外多細胞遞送，（A-D）共培養(yǎng)的骨髓間充質(zhì)干細胞和內(nèi)皮細胞負載于支架表面的共聚焦照片，（E-H）共培養(yǎng)的骨髓間充質(zhì)干細胞和內(nèi)皮細胞負載于支架表面的電鏡照片，（I-J）在不同哈弗斯管直徑及數(shù)量的支架上生長的單培養(yǎng)及共培養(yǎng)細胞的增殖情況，（K-L）支架負載的單培養(yǎng)及共培養(yǎng)細胞成骨、成血管基因的表達情況。

來源：上海硅酸鹽研究所