骨移植患者的福音！科学家利用3D打印技术制备出丝素蛋白-生物活性玻璃材料

使用定制3D打印软件制备先进的工程混合生物材料

在实验室中制备人体骨组织是非常困难的。因此，不断发展骨组织工程（BTE）就是为了可以制备出专门帮助病人修复骨组织的移植物，同时协助触发特定的细胞信号通路。再生医学与骨组织工程领域内的材料科学家们正逐步开发一种新型材料，该材料会在植入人体部分的移植物的缺损部位进行有效的生物修复，并通过仿生骨骼的性能加速伤口愈合。

骨组织工程（BTE）实施的最佳理想状态是把移植物植入人体后，便可在此部位快速的形成新的骨组织。而且科学家们也一直致力于研究出一种能够加强材料-骨骼界面的植入体。生物活性玻璃可以在移植后几分钟就能与骨结合，而丝素蛋白（一种天然纤维蛋白）具有诱导骨再生的能力。利用这些混合材料的特性就可以把骨生成能力与承载能力结合起来，一起应用于那些大载荷骨缺损模型中。

在最近的一项研究中，Swati Midha和他的同事利用不同生物活性玻璃组成的丝质油墨开发出了一种新型的三维混合结构，目的是为了在实验室内重建骨髓间充质干细胞（BMSC）向成骨方向分化的仿骨模拟微环境。现在他们把成果发表在《生物医用材料》杂志上。而且科学家们可以直接利用3D打印装置的书写功能来制造丝素-明胶-生物活性玻璃支架（SF-G-BG）。此研究结果为以后能调节定制专用3-D人骨植入体的发展提供了无限可能。

论文的作者研究了两种生物活性玻璃成分（含锶和不含锶）在真丝基质中的根植性。此工作主要包括如下部分：(1)混合复合材料的力学性能，以及它们作为三维打印支架油墨的潜力；(2)诸如油墨基3D打印的SF-G-BG支架的骨再生能力；(3)3-D打印结构上负责骨分化的潜在信号机制。

用熔融衍生玻璃制作油墨，并通过一系列不同浓度的优化，便可使SF-G-BG复合材料的打印适性和细胞相容性得到了优化。打印后，可将三维SF-G-BG支架在80%乙醇中培育，以诱导丝素蛋白在合成过程中出现构象变化。

3D打印装置——基于三轴级的直接书写仪器，具有一个或多个注射泵，可以控制模式精确分配油墨，并用定制的软件设计3D结构

他们还采用FTIR和电感耦合等离子体质谱测试了材料的物理化学性质，用于测定生物活性玻璃在丝素蛋白中离子的释放特性。他们还在在材料上培养了间充质干细胞（BMSC），以了解细胞分化的机制。

一般情况下，丝基质上的成骨分化与Wnt/β信号通路激活有关，而生物活性玻璃可激活不同的成骨信号通路。因此，作者研究了这些细胞分化的机制是否相互独立，或者它们之间的交叉是否导致了一系列新的基因在复合体上控制骨组织的形成。

深入的分子研究表明，含锶（Sr）的SF-G-BG支架在细胞培养21天内通过驱动骨髓间充质干细胞向成骨细胞和成骨细胞表型转变，使其拥有了更好的成骨分化的能力。此后，作者还测试了六个感兴趣的基因以研究成骨细胞分化，包括Runt相关转录因子(Runx2)的表达。（Runt相关转录因子(Runx2)是触发细胞分化周期早期成骨表达开始的主基因，在研究中观察到的第7天逐渐减少）

同样，作者也测试了在成骨细胞分化过程中表达的三个特异基因。又接着研究了真丝-明胶油墨中生物活性玻璃的离子释放与触发骨形态发生蛋白2BMP-2、骨形态发生蛋白4BMP-4和印度刺猬IHH细胞的信号转导通路，这些信号转导通路对体内骨形成至关重要。基因本体测试还确定了在三维印刷SF-G-BG结构的骨髓间充质干细胞成骨分化过程中相关的基因网络。

大多数细胞在复合材料上都存活了，这就证实SF-G-BG支架会保持干细胞活性。用扫描电镜（SEM）观察细胞材料表面，细胞形态，免疫组织化学染色（方便利用特异抗体观察成骨情况）。遗传研究表明，含Sr的生物活性玻璃能协同上调BMSC信号传导通路，以促进分化和成熟。特别是对那些主要信号通路的激活（例如BMP-2、BMP-4和IHH），这对调节体内骨形成是至关重要的。该研究结果可在临床动物模型进行深入研究，以后能够在实验室中就可以制备出骨移植手术的专用3D打印SF-G-BG支架。