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3D打印多功能支架材料研究获重要进展

导读: 中国科学院上海硅酸盐研究所吴成铁研究员与常江研究员带领的研究团队提出构建兼具肿瘤治疗和组织再生双功能特性的3D打印组织工程支架,近期取得了系列性重要进展。

目前临床上对于实体瘤的治疗,通常采用以手术切除为主,化疗、放疗为辅的综合疗法。手术切除大部分骨肿瘤组织之后,在原发灶部位会造成大块组织缺损,超过人体自愈范围,因而需要植入组织工程支架进行诱导修复。同时,由于手术很难完全清除肿瘤细胞,为防止肿瘤复发,临床通常会借助传统化疗和放疗手段,而放疗和化疗对病人会造成很大的毒副作用。为解决该问题,中国科学院上海硅酸盐研究所吴成铁研究员与常江研究员带领的研究团队提出构建兼具肿瘤治疗和组织再生双功能特性的3D打印组织工程支架,近期取得了系列性重要进展。

该团队采用3D打印和原位生长相结合的方式,制备了有序大孔结构生物陶瓷的支架,并在支架表面原位生长二硫化钼纳米片(图1),赋予支架在近红外照射下迅速升温的特性。这种制备方式不仅使得二硫化钼纳米片非常稳定地依附在陶瓷支架的外层,而且可以对支架的光热性能和成骨活性进行有效调控。将支架植入肿瘤部位,结合近红外光照射进行治疗,有效抑制了肿瘤的生长,而其他对照组的肿瘤生长不受抑制。同时,体内骨修复实验表明这种复合支架保持了生物陶瓷支架原有的优良成骨活性,且证实短暂的激光照射不会影响长期的新骨再生(图2),在骨肿瘤的治疗与修复中表现出巨大的应用潜力。目前该研究成果被Nature 出版集团的期刊 NPG Asia Materials, AM2016556R 接收(该论文第一作者为在读博士生王小成)。

该团队利用多巴胺原位聚合与3D打印生物支架表面矿化的特点,在3D打印的Ca-P-Si生物陶瓷支架表面上诱导出一层自均匀组装的聚多巴胺/Ca-P纳米层(图3),使其兼具光热抗肿瘤的疗效及修复大块骨缺损的能力。诱导后的支架表面粗糙度及亲水性的提高,以及纳米层中含有的OH、NH2-生物活性基团能够促进骨间充质干细胞粘附和增殖。其次,诱导出的纳米层能够促进Ca-P矿化,有利于营养物质的吸附,进而促进骨间充质干细胞的分化及体内成骨。同时,诱导后的支架在808nm近红外光照射下,能实现快速升温,进而利用其良好的光热效果,能有效杀死肿瘤细胞,抑制裸鼠体内肿瘤生长。该成果已经申请专利一项,相关研究成果发表在Biomaterials. 2016; 111: 138-148. (该论文第一作者为在读生马红石),该工作被Materials Today 以新闻亮点形式报道(图4)。最近,该团队利用活性营养元素制备了超细的合成了超小尺度的CuCoS2 纳米晶(~10 nm),其光热转换效率能达到73%,具有非常优良的光热效应,能有效杀死肿瘤,同时因为Cu等活性元素可以促进血管化,可能是一类新型的兼具“骨修复”与“肿瘤治疗”的双功能生物活性纳米材料(Adv Funct Mater 2017 DOI: 10.1002/adfm.201606218)。

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