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3D打印黑磷支架再革新,重塑骨免疫调控与促进骨再生

发布时间:2023-08-30


近日,中国科学院深圳先进技术研究院(简称深圳先进院)赖毓霄研究团队在骨缺损治疗方向取得重大突破,团队采用低温沉积3D打印技术研发了一种可降解高分子复合黑磷的多功能仿生多孔支架,首次研究了黑磷支架在植入骨组织中引起的免疫响应功能,该支架能够通过调控免疫系统影响免疫微环境从而有效促进骨缺损修复,具有广阔的临床应用前景(图1)。相关研究成果以题为“Regulation of Osteoimmune Microenvironment and Osteogenesis by 3D-Printed PLAG/black Phosphorus Scaffolds for Bone Regeneration”发表在Advanced Science期刊上(IF=15.10)。论文第一作者为深圳先进院龙晶和姚振宇副研究员,通讯作者为赖毓霄研究员。在此,需特别感谢深圳先进院、香港中文大学秦岭教授、深圳先进院材料界面中心喻学峰研究员在完成这项工作过程中给予的大力支持。

骨缺损的治疗是临床上亟需解决的重大挑战之一,3D打印技术在骨科领域引起了广泛的关注,因为它可以制造出具有复杂结构和良好生物相容性的可植入骨支架。目前的植入骨支架在与宿主组织结合方面仍存在一定的挑战,在骨支架的设计中,不仅需要考虑力学性能和生物相容性,还需要考虑其在骨再生过程中对免疫反应的调节作用。黑磷作为一种新型的二维材料,已经在催化能源、光电器件和肿瘤治疗等领域得到了广泛应用,但对于黑磷在骨再生领域尤其是骨免疫微环境调节方面的作用仍需进一步研究。在本研究中,我们使用低温沉积3D打印技术开发了一种可降解高分子乳酸-乙醇酸(PLGA)结合黑磷(BP)的多功能仿生多孔支架,并证明了黑磷具有调控巨噬细胞极化及对骨免疫微环境和骨再生的调节作用。首先,我们发现PLGA/BP支架具有良好的生物相容性、生物降解性和力学性能,且黑磷的降解产物PO43-对骨组织矿化具有重要意义。其次,我们观察到PLGA/BP支架可以招募巨噬细胞,并促进它们向M2型极化,这种极化状态有助于抑制骨损伤区早期炎症反应,并创造良好的骨免疫环境,从而促进骨髓间充质干细胞的分化和骨再生。此外,通过对人骨髓间充质干细胞(hBMSC)的转录组学分析,我们筛选并证明了PLGA/BP支架可以通过激活PI3K-AKT信号通路促进IBSP和SPP1的表达。在体内研究中我们进行了一项针对类固醇相关性骨坏死(SAON)大鼠的实验,SAON是一种由长期使用或短期内大剂量使用皮质类固醇治疗引起的常见骨科疾病,其过程伴有严重的炎症反应。我们提出了一种以临床挑战为导向的骨免疫调节和成骨治疗方法,利用适当的骨修复材料对SAON骨缺损进行填充和修复。实验结果显示,采用3D打印的PLGA/BP支架能够诱导M2型巨噬细胞的增加,促使机体产生适合骨整合的免疫微环境,加速骨组织的形成和修复效果,表明黑磷支架在骨科领域具有良好的应用前景,为开发骨修复生物材料在再生医学应用上提供了一种有效策略。

该研究得到国家自然科学基金、中国科学院跨学科创新团队、广东省自然科学基金、深圳市自然科学基金基础研究等相关项目的资助。

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1. 低温3D打印黑磷支架用于骨免疫调控及促进骨缺损修复的研究路线图



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