武汉理工研究生，武汉理工研究生院
临界尺寸骨缺损是骨科临床治疗的难题之一。目前，治疗临界尺寸骨缺损常用的方法是种植体移植策略，如自体骨移植、同种异体骨移植和人工骨移植。自体移植策略被认为是“金标准”。其中一个重要原因是自体骨含有丰富的神经血管网络。因此，神经血管网络的早期快速重建可能是影响人工骨移植修复效果的关键因素之一。
基于此，武汉理工大学戴红莲教授团队和华中科技大学郭晓东教授团队合作设计了一种由含镁明胶微球和含锌生物玻璃组成的3D打印双离子时序释放功能平台，该功能平台可以有效调控镁离子的释放速率并实现其早期释放促进神经血管网络重建，同时实现锌离子的长期缓释促进后期成骨，加速临界尺寸的骨再生修复（图1）。相关研究成果“3D-printed dual-ion chronological release functional platform reconstructs neuro-vascularization network for critical-sized bone defect regeneration”发表在《Chemical Engineering Journal》上。第一作者为武汉理工大学博士研究生夏禹豪和华中科技大学硕士研究生景玺瑞，通讯作者为武汉理工大学戴红莲教授和华中科技大学郭晓东教授。该工作得到了国家自然科学基金、深圳市基础研究重点项目等项目支持。
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DOI: 10.1016/j.cej.2023.143015
图1.3D打印双离子时序释放功能平台的设计与应用研究
1. 3D打印双离子时序释放功能平台的理化表征
作者以3D打印的磷酸三钙骨水泥（TCP）为基体材料，通过引入含镁明胶微球（Mg-GMS）和掺锌生物玻璃（Zn-BG）构建了3D打印双离子时序释放功能平台（TCP/Zn-BG/Mg-GMS）。随后作者对该功能平台的表面形貌、力学性能、离子控释性能等进行了测试。
图2.生物玻璃复合支架物理化学性能表征
图3. 3D打印双离子时序释放功能平台物理化学性能表征
2. 3D打印双离子时序释放功能平台神经血管化性能评估
作者通过体外细胞实验对功能平台的神经血管化性能进行了评价，结果表明镁离子的可控释放能够有效增强人脐静脉内皮细胞的体外血管化和PC12细胞的神经再生能力。
图4 3D打印双离子时序释放功能平台神经血管化性能评估
3. 3D打印双离子时序释放功能平台成骨性能表征
作者通过使用条件培养基对血管和神经新生对BMSCs成骨分化的影响进行了评价，结果表明3D打印双离子时序释放功能平台具有良好的成骨分化性能，同时表明早期神经血管再生有利于促进成骨分化。
图5. 3D打印双离子时序释放功能平台成骨性能表征
4. 重建神经血管网络促进临界骨缺损再生修复动物模型评估
为了验证3D打印双离子时序释放功能平台对临界骨缺损再生修复的影响，作者采用8mm大鼠临界骨缺损模型，通过micro-CT、免疫组化和免疫荧光染色等方法检查骨组织修复的组织学情况。结果显示该功能平台能够显著促进临界骨缺损的骨组织再生修复。此外，CD31/β3-tubulin免疫荧光染色结果显示，3D打印双离子时序释放功能平台能够明显观察到神经血管网络重建现象，组织学染色结果也证实了神经血管网络重建可以有效促进临界骨缺损的再生修复。
图6.大鼠临界骨缺损再生修复评价
图7.大鼠临界骨缺损组织学染色及免疫荧光评价
综上所述，3D打印双离子时序释放功能平台可以有效调控镁离子的释放速率并实现其早期完全释放，同时实现锌离子的长期释放。体内外实验表明，镁离子的可控释放能够显著增强神经和血管的再生能力从而重建神经血管网络，锌离子的长期释放能够促进后期成骨。此外，组织学结果也表明早期神经血管网络重建能够有效加速临界尺寸的骨再生修复。因此，3D打印双离子时序释放功能平台具有用于修复临界尺寸骨缺损的骨移植物的潜力，并为修复材料的设计提供了指导。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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