3D打印高强度抗肿瘤生物陶瓷支架

3D-printed magnesium-doped wollastonite_nano-hydroxyapatite bioceramic scaffolds.pdf

骨肉瘤是一种常见的恶性肿瘤，主要发生在儿童和青少年，骨肉瘤临床表现不明显，早期无自发性骨折或剧烈疼痛，这种疾病不容易诊断，但肿瘤生长迅速，骨肉瘤可导致大面积骨缺损和活动受限。目前，骨肉瘤的治疗多为切除肿瘤部位，然后辅以化疗等手段，然而，骨肿瘤切除手术通常会造成超出组织自愈能力的骨缺损，而且切除后肿瘤细胞难以完全清除，肿瘤细胞残留可能导致局部复发和手术失败。基于这种情况，骨癌手术后骨缺损的治疗方法受到了研究者的高度关注和广泛研究。

羟基磷灰石已被证明具有良好的细胞亲和力，促进成骨细胞黏附和增殖。近年来，不断有研究表明纳米羟基磷灰石(nano hydroxyapatite, n-HA)具有抗肿瘤作用。n-HA能够抑制肿瘤生长，防止肿瘤细胞迁移。这些都揭示了n-HA作为骨再生材料和抗肿瘤材料的独特价值。

近期，杭州电子科技大学、南京医科大学及浙江大学团队合作研发了一种掺镁硅灰石/纳米羟基磷灰石生物陶瓷多孔支架，该支架利用物理吸附机制在掺镁硅酸钙生物活性陶瓷支架表面修饰了n-HA涂层，使原有的掺镁硅酸钙支架具有长时间保持高力学性能的同时，具有显著的抗肿瘤效果。本研究设计的陶瓷支架具有高的力学强度，可调控的降解性能，良好的生物活性，能够有效促进肿瘤细胞(MG63)凋亡以及抑制肿瘤细胞迁移。相关论文研究成果以“3D-printed magnesium-doped wollastonite/nano-hydroxyapatite bioceramic scaffolds with high strength and anti-tumor property”为题发表于《Materials & Design》上。杭州电子科技大学景卓荦硕士生、南京医科大学夏鹏程硕士生为论文的共同第一作者，杭电邵惠锋副教授、浙大贺永教授和南京医科大学姚庆强教授为论文的共同通讯作者。

图1支架制造方法简图

为了制造出表面负载有不同厚度的n-HA层，对浸泡时间、SA的浓度、浸泡次数进行研究，制造出了具有不同n-HA厚度的支架，发现10min的浸泡时间以及1.5%的海藻酸钠浓度具有较好的吸附效果。

图2 粉体和支架的表征

为了探究支架的力学以及降解性能，作者在模拟体液(SBF)中进行了浸泡实验。实验结果表明，pH值均为弱碱性，弱碱性环境有利于细胞的生长。力学测试结果表明，具有n-HA厚度约为15 μm的支架抗压强度在1-3周的时间内都显著高于n-HA厚度为0 μm和5 μm的支架，其三周后依然具有大于90 Mpa的抗压强度，除了抗压强度外，伴随着吸附厚度的增加，支架的弹性模量也有所增强。

图3在SBF (pH 7.4)中进行3周的降解试验

为了进一步确定CSi-Mg/n-HAx支架在骨修复中的适用性，通过在SBF溶液中浸泡0-3周来测试其生物活性。球形颗粒在1周内沉积在CSi-Mg支架表面。3周后，支架表面覆盖一层HA矿物。仿生HA的形成负责植入物与宿主骨组织之间的牢固结合。直到第三周，CSi-Mg/n-HA1支架表面才有了HA矿物，可能是因为支架表面的SA在溶液中与Ca²⁺形成了水凝胶。Ca²⁺的减少影响HA矿物的形成。3周内CSiMg/n-HA3支架表面都没有明显的HA矿物，CSi-Mg/n-HA3支架需要更多的时间形成矿物层。

图4 SBF浸泡1-3周后支架表面的SEM图像

利用扫描电镜观察人骨肉瘤MG63细胞在3种支架上培养3天的形态和附着情况。作者发现细胞在CSi-Mg支架上扩散良好(图5A)，细胞状态良好(图5D)。可以看到，MG63细胞不能很好地附着在CSi-Mg/n-HA1支架表面(图5B)，细胞轻微卷曲(图5E)，扩散不佳。此外，MG63细胞不能很好地附着在CSi-Mg/n-HA3支架表面(图5F)，并进一步卷曲(图5C)。这些结果表明n-HA层可以抑制人骨MG63肿瘤细胞的生长。

图5 MG63在3种支架中培养3天的SEM图像

为了探究支架对肿瘤细胞生长增殖的影响，作者做了细胞凋亡实验、细胞活死染色、细胞形态染色、细胞克隆实验以及CCK-8实验，实验结果都表现出表面n-HA厚度越厚，肿瘤细胞的凋亡情况越显著。培养7天后，CSi-Mg/n-HA3支架诱导体外人骨肉瘤细胞(MG-63)约50%的细胞死亡。

图6 支架在体外能抑制肿瘤细胞的增殖

为了探究支架对肿瘤细胞迁移增殖的影响，作者做了transwell实验，细胞划痕实验，实验结果表明具有表面吸附n-HA的支架能够有效抑制肿瘤细胞的迁移。此外，qRT-PCR实验表明n-HA可以抑制Ki-67基因和Bcl-2基因的表达，导致Ki-67和Bcl-2蛋白合成减少，此外，实验组也会促进Caspase-3的高表达，从而促进MG63细胞凋亡。

图7 支架可以减少细胞在体外的迁移

为探究支架的成骨性能，作者做了细胞活力染色、细胞形态染色、CCK-8实验、茜素红S染色、RNA提取和qRT-PCR实验，实验表明，表面吸附有n-HA的支架具有更好的成骨性能。

图8 支架可促进大鼠骨髓间充质干细胞体外成骨

综上所述，作者提出了一种3D打印高强度抗肿瘤生物陶瓷支架，该支架以孔道结构完全贯通的多孔掺镁硅灰石支架为基底，纳米羟基磷灰石为表面。该支架具有良好的力学维持效果，较好的抗肿瘤效果以及成骨性能，可为骨肉瘤切除术后组织损伤修复提供新的治疗方法。

文章来源：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111464