CN114404653B - 一种多细胞图案化生物陶瓷支架及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多细胞图案化生物陶瓷支架及其制备方法和应用。所述多细胞图案化的生物陶瓷支架包括多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体和适应性装载到多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体的通道的多种类型的细胞，所述通道中分布的细胞形成多细胞排布图案而构建仿生的体内多细胞微环境。所述多细胞图案化的生物陶瓷支架可通过操纵多细胞在支架上的空间位置分布，有效调控多细胞系之间相互作用，构建有利于组织再生的微环境，进而改善生物陶瓷支架的成骨性能，提高了骨缺损的修复速度和质量，在生物医学应用方面有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种多细胞图案化生物陶瓷支架及其制备方法和应用，属于生物医用材料领域。
背景技术
组织工程的目的是开发具有生物功能的替代品，以恢复和/或替代受损或丢失的天然组织。一种策略是在生物材料中加入细胞，提供能够调节细胞功能的三维微环境，并最终促进新组织的形成。然而，在大多数情况下，基于生物陶瓷材料的组织工程支架的共培养系统通常是以无序的方式将不同类型的细胞混合在一起[1-3]。事实上，人体组织中的各种细胞通常表现出一定的非接触空间排列，并被组织成复杂的微图案，因此简单地将细胞混合在一起并不能准确模拟它们在体内的状态[4-5]。在自然组织微环境中，细胞的空间和几何分布以及相邻细胞之间的相互作用对决定细胞的命运，如迁移、增殖、凋亡和分化等至关重要[6-8]。此外，这些预先排列好的细胞群之间交流与协作也对组织结构、器官发育和组织动态平衡起着重要的调节作用[9]。模拟多细胞相互作用的空间排列可以体外再现自然组织形成中的各种生物学过程，从而实现更高阶的生物功能和集体行为。其结果不仅可以产生具有仿生细胞组成和分布特征的组织状生物材料，而且有望构建类似生命的生物工程器官。因此，开发一种能够在三维空间上图案化排列多种细胞类型的组织工程支架，以模仿自然组织的生理环境中的多细胞过程用于促进组织再生具有重要意义和应用价值。
参考文献：
[1]Kook,Y.-M.,Jeong,Y.,Lee,K.&Koh,W.-G.Design of biomimetic cellularscaffolds for co-culture system and their application.J.Tissue Eng.8,1-17(2017).
[2]Tang,M.et al.Three-dimensional bioprinted glioblastomamicroenvironments model cellular dependencies and immune interactions.CellRes.30,833-853(2020).
[3]Tavakol,D.N.et al.Injectable,scalable 3D tissue-engineered modelof marrow hematopoiesis.Biomaterials 232,119665(2020).
[4]Antoni,D.,Burckel,H.,Josset,E.&Noel,G.Three-Dimensional CellCulture:A Breakthrough in Vivo.Int.J.Mol.Sci.16,5517-5527(2015).
[5]Wang,X.et al.3D Printing of Cell-Container-Like Scaffolds forMulticell Tissue Engineering.Engineering 6,1276-1284(2020).
[6]Rossant,J.&Tam,P.P.L.Blastocyst lineage formation,early embryonicasymmetries and axis patterning in the mouse.Development 136,701-713(2009).
[7]Li,L.&Xie,T.Stem Cell Niche:Structure and Function.Annu.Rev.CellDev.Biol.21,605-631(2005).
[8]Hall,M.S.,Decker,J.T.&Shea,L.D.Towards systems tissue engineering:Elucidating the dynamics,spatial coordination,and individual cells drivingemergent behaviors.Biomaterials 255,120189(2020).
[9]Nelson,C.M.&Bissell,M.J.Of Extracellular Matrix,Scaffolds,andSignaling:Tissue Architecture Regulates Development,Homeostasis,andCancer.Annu.Rev.Cell Dev.Biol.22,287-309(2006).
发明内容
为实现上述目的，本发明进行了广泛而深入的研究以提供一种多细胞图案化的生物陶瓷支架及其制备方法与应用。所述多细胞图案化的生物陶瓷支架可通过操纵多细胞在支架上的空间位置分布，有效调控多细胞系之间相互作用，构建有利于组织再生的微环境，进而改善生物陶瓷支架的成骨性能，提高了骨缺损的修复速度和质量，在生物医学应用方面有广阔的应用前景。
第一方面，本发明提供一种多细胞图案化的生物陶瓷支架。所述多细胞图案化的生物陶瓷支架包括多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体和适应性装载到多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体的通道的多种类型的细胞，所述通道中分布的细胞形成多细胞排布图案而构建仿生的体内多细胞微环境。
较佳地，通过调控多细胞的空间位置分布调节细胞间相互作用而实现对支架免疫特性尤其是成骨性能的可控调节。
较佳地，所述细胞包括间充质干细胞、内皮细胞、雪旺细胞、巨噬细胞中的至少两种。
较佳地，所述图案包括但不限于星形、太极形、交错形的多细胞排布图案。
较佳地，所述多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体具有可控的孔径方向和孔径尺寸；优选地，多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体的通道具有直径保持在1.0～1.5mm的大孔结构；更优选地，所述多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体的通道具有与垂直方向呈30°～45°倾斜的夹角。
较佳地，所述多通道蜂窝状生物陶瓷支架基体的生物陶瓷材料包括磷酸盐生物活性陶瓷、硅酸盐生物活性陶瓷、生物惰性陶瓷中的一种或多种的混合物。
较佳地，多细胞图案化的生物陶瓷支架负载的细胞总量为2～10×105个。
较佳地，所述多细胞为两种类型的细胞时，所述多细胞为两种类型的细胞时，两种类型的细胞的数量比例为1-3：1-3。例如包括但不限于1:1、1:2、2:1、1:3或3:1。优选地，间充质干细胞与巨噬细胞在Ca7Si2P2O16生物活性陶瓷上呈太极图案分布时，两类细胞比例为2：1时最佳。
第二方面，本发明还提供上述任一项所述的多细胞图案化的生物陶瓷支架的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：
(1)制备多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体：以生物陶瓷材料、生物活性玻璃粉、光敏树脂为原料配置打印浆料，使用所述打印浆料通过激光快速成型3D打印制备多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体的素坯，并将素坯烧结获得多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体；
(2)多细胞图案化的生物陶瓷支架的制备：将不同类型的细胞按照预定的细胞分布图案对应接种在所述多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体的相应通道中，得到多细胞图案化的生物陶瓷支架。
第三方面，本发明提供上述任一项所述的多细胞图案化的生物陶瓷支架在组织工程中的应用，所述组织工程包括免疫调控成骨、血管化成骨、神经化成骨。
附图说明
图1的(a)示出了多通道蜂窝状Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架的光学照片；(b)示出了多通道蜂窝状Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架的SEM图像。
图2示出了多通道蜂窝状Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架的XRD图谱。
图3的(a)示出了骨髓间充质干细胞和巨噬细胞数量比例为2：1时，在支架的三维结构中以星形、太极形、交错形和反向星形图案排列并培养3天的荧光图像；其中，骨髓间充质干细胞和巨噬细胞分别用红色和绿色的荧光探针进行标记；(b)-(c)示出了反向星形图案排列的Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架多通道内骨髓间充质干细胞和巨噬细胞的二维(2D)和三维(3D)激光共聚焦图像。
图4的(a)示出了不同的多细胞图案化Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架中以2:1的比例培养5天的骨髓间充质干细胞和巨噬细胞的SEM图像；(b)示出了不同的多细胞图案化支架中骨髓间充质干细胞在培养2天和5天的增殖活性；(c)示出了不同的多细胞图案化支架中巨噬细胞在培养2天和5天的增殖活性。(a)中第一列和第三列的标尺单位为50μm，第二列和第四列的标尺单位为20μm。
图5示出了骨髓间充质干细胞和巨噬细胞数量比例为2:1时，Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架中不同多细胞图案内巨噬细胞在第3天的表面标志物的基因表达。
图6示出了骨髓间充质干细胞和巨噬细胞数量比例为2:1时，Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架中不同多细胞图案内巨噬细胞在第3天的促/抗炎细胞因子的基因表达。
图7示出了骨髓间充质干细胞和巨噬细胞数量比例为2:1时，在不同多细胞图案的Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架上生长3天的巨噬细胞中与组织修复和重塑相关的调节因子的基因表达。
图8示出了骨髓间充质干细胞和巨噬细胞数量比例为2:1时，在不同多细胞图案的Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架上生长3天的骨髓间充质干细胞中成骨相关因子的基因表达。
图9中的(a)示出了12周空白组、无细胞支架组、骨髓间充质干细胞或巨噬细胞单细胞负载支架组、具有太极形多细胞图案或反向星形多细胞图案的支架组兔颅骨的micro-CT三维重构的图片，其中，骨髓间充质干细胞和巨噬细胞数量比例为2:1；(b)示出了不同组分在兔颅骨缺损处植入12周后的成骨定量数据统计。(a)中第一行各幅图的标尺相同，单位为10mm。(a)中第二行各幅图的标尺相同，单位为5mm。
图10示出了不同组分在兔颅骨缺损处植入12周后的切片染色图片。
图11中的(a)示出了骨髓间充质干细胞与巨噬细胞数量比例为1:1时，Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架中不同多细胞图案内巨噬细胞在第3天的促/抗炎细胞因子的基因表达；(b)出了在不同多细胞图案的Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架上生长3天的骨髓间充质干细胞中成骨相关因子的基因表达。
图12中的(a)示出了骨髓间充质干细胞与巨噬细胞数量比例为3:1时，Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架中不同多细胞图案内巨噬细胞在第3天的促/抗炎细胞因子的基因表达；(b)出了在不同多细胞图案的Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架上生长3天的骨髓间充质干细胞中成骨相关因子的基因表达。
具体实施方式
通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。在没有特殊说明的情况下，各百分含量指质量百分含量。
本发明提供一种多细胞图案化的生物活性支架。所述多细胞图案化支架将不同类型的细胞选择性地装载到蜂窝状生物陶瓷支架的特定区域的不同通道中形成多细胞图案。通过多细胞的空间位置分布调控细胞间相互作用来改善生物材料三维支架诱导的微环境，提高其体内骨组织再生作用。
现有技术通常以模板法等方式在支架表面形成微图案来影响细胞的增殖与分化。这种方式是通过生物材料的表面微结构来调控细胞行为，验证的是材料结构对细胞的刺激作用，即利用材料定向微结构来影响细胞骨架、细胞形貌、细胞的定向铺展，其本质机制是机械力学对细胞的调节，通过生物力学刺激对细胞骨架进行影响。本发明则是调控多种细胞之间在空间上的分布位置，这种位置关系影响了它们之间的细胞相互作用，从而实现对细胞行为活动的调控。即本发明的调控方式与支架材料自身的理化性质、结构等影响较小，其本质机制是因多种细胞的分布差异导致了多细胞产生不同的旁分泌作用，由此产生的细胞因子在这些不同种类的细胞之间形成了一个反馈回路，相互影响、相互调控。
所述生物陶瓷支架材料的材料不受限制，采用本领域常用的陶瓷支架即可。例如包括磷酸盐生物活性陶瓷、硅酸盐生物活性陶瓷、生物惰性陶瓷中的一种或多种的混合物。
所述装载的细胞为参与自然组织修复过程中的组织细胞，包括但不限于间充质干细胞、内皮细胞、雪旺细胞、巨噬细胞中的至少两种。
对细胞分布图案的形状无特定要求，仅需其能够仿生模拟体内细胞微环境即可。细胞分布图案包括但不限于星形、太极形、交错形的多细胞排列图案。
蜂窝状的多孔结构可以作为多细胞的装载和输送通道，引导血管和组织向内生长。为了确保细胞在支架中的精准装载和体内成骨的应用，本发明制备的生物陶瓷支架的孔道直径控制在1.0～1.5mm。若孔道尺寸太小，细胞悬液很难精准加入孔内。但支架的孔径结构太大，会不利于体内植入后的骨组织再生。
蜂窝状生物陶瓷支架的通道的管状结构与垂直具有30°～45°的倾斜夹角。由于支架的蜂窝状孔道为贯通的管状结构。该管状结构具有一定的倾斜角度，能够保证在向支架孔道加入细胞浓缩悬液时，液滴可以滞留在孔壁上，从而有利于细胞在支架通道内壁上的附着，不至于从通道的另一端流出。但倾斜角度过大时，细胞悬液会溢出孔外，细胞难以进入到孔道内，只是聚集在孔周围，而无法形成多细胞精准排列的三维图案。支架蜂窝状的管状结构与垂直呈30°～45°的倾斜夹角时，滴加后的细胞能够附着并均匀的黏附在特定的孔道内壁中。
以下示例性说明本发明所述多细胞图案化的生物陶瓷支架的制备方法。
通过数字光处理(DLP)3D打印技术制备蜂窝状多孔陶瓷支架。将生物陶瓷粉配成3D打印浆料，例如将生物陶瓷粉、生物活性玻璃粉、光敏树脂球磨为可打印的前体浆料。光敏树脂的种类不受限制，采用本领域常用的光固化树脂即可。作为示例，生物陶瓷粉、生物活性玻璃粉、光敏树脂进行球磨，得到可打印的前体浆料。生物陶瓷粉、生物活性玻璃粉、光敏树脂的质量比为15-20：1-5：15-25，例如20：1：21。按照计算机辅助设计模型，通过DLP激光快速成型3D打印得到具有可控孔径方向和孔径大小的多通道蜂窝状支架。经过高温烧结去除有机物获得蜂窝状的纯生物陶瓷支架。例如以1～2℃/min的速率升温至1100～1400℃(优选1200～1400℃)烧结，保温时间为2～5小时，随炉降温后得到纯生物陶瓷支架。
生物陶瓷支架的多通道结构中多细胞系的图案化装载：将不同类型的细胞系按照预定的细胞分布图案分别接种在生物陶瓷支架的相应通道中，得到多细胞图案的生物陶瓷支架。所述相应指的是根据天然组织三维结构的分布方式设计的不同图案并根据图案加载细胞。例如，在无菌条件下，将多种类型细胞分别接种在所述蜂窝状生物陶瓷支架的相应通道内。
在本发明的示例性记载中，根据多种细胞系在天然组织三维结构中的几种典型分布方式(内外、左右/上下、交错)，在生物陶瓷支架中构建了四种有代表性的复杂多细胞图案(星形、太极形、交错形及反向星形)。具体的制备方法是：以每孔3μL的负载量将细胞悬浮浓缩液加入到支架的特定孔道内，然后置于37℃、5％CO2的培养箱中孵育30分钟后取出，再以同样的方式将另一种细胞悬浮浓缩液接种到支架的其他特定孔道内。培养1小时后，将负载细胞的支架转移到新的24孔板种，加入两种细胞的混合培养基(1:1，v/v)，进一步体外培养3天，由此获得所述的多细胞图案化生物活性陶瓷支架。只含有一种细胞的支架和无细胞负载的支架被用作对照。
细胞的负载量根据实验需要在2～10×105之间进行调整。但是细胞的负载量过低可能导致无法分泌足够数量的因子来刺激其他细胞的行为。多细胞系的不同细胞的数量比例同样可以根据实际需要作出适应性调整。
本发明还提供上述任一项所述的多细胞图案化的生物陶瓷支架在免疫调控成骨、血管化成骨、神经化成骨的组织再生中的应用，提高了骨缺损的修复速度和质量。
本发明通过将不同类型的细胞系按照不同的细胞分布图案分别接种在3D打印的蜂窝状生物陶瓷支架的相应通道中，得到含有不同的多细胞图案的生物陶瓷支架。所述制备工艺简单易行，成本低且便于推广。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
45S5生物活性玻璃粉，主要成分的质量比例包括4.5％的Na2O，24.5％的CaO，6.0％的P2O5，45％的SiO2。
实施例1
蜂窝状Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架的制备：取50.0g Ca7Si2P2O16生物陶瓷粉、2.5g45S5生物活性玻璃粉、52.5g光敏树脂进行球磨混合均匀，得到3D打印浆料。按照计算机辅助设计的模型，通过DLP激光快速成型3D打印机制备多通道蜂窝状支架素坯。以2℃/min的速率升温至1400℃烧结，保温时间3小时，自然降温后得到纯Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架(图1)。采用X-射线衍射仪(XRD)对煅烧后Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架的物相进行表征(图2)，结果显示Ca7Si2P2O16陶瓷支架的XRD图谱没有发生明显的变化，其衍射峰的位置与Ca7Si2P2O16标准衍射图谱(JCPDS 00-011-0676)相同，没有第二相杂质峰出现，证明打印过程所使用的光固化树脂即光敏树脂都已通过高温烧结的方法除去。
蜂窝状Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架上多细胞系的图案化装载：按照提前设计的星形、太极形、交错形及反向星形细胞排列图案，将骨髓间充质干细胞和巨噬细胞分别以每孔3μL的悬浮浓缩液接种于蜂窝状支架上对应的微孔道内。支架负载的总细胞量为5×105个，骨髓间充质干细胞和巨噬细胞的细胞数量比例为2:1。为了观察支架中的多细胞图案，在接种细胞之前，分别用红色和绿色的荧光探针对骨髓间充质干细胞和巨噬细胞进行标记，培养3天的激光共聚焦图像显示了支架中多细胞的图案化空间分布(图3)。所有多细胞图案化生物陶瓷支架中的骨髓间充质干细胞和巨噬细胞均可紧紧粘附在其特定通道的内壁上，并伸出大量的丝状伪足和片状伪足(图4中的(a))。CCK8细胞增殖实验证明这两种细胞在多细胞图案化支架中生长良好，显示出良好的细胞活力(图4中的(b)和(c))。只含有骨髓间充质干细胞的支架和只含有巨噬细胞的支架，以及无细胞负载的支架被用作对照，分别记为对照-MSCs、对照-MΦ及对照-无细胞。
对比四种细胞图案，骨髓间充质干细胞和巨噬细胞在空间结构上以太极图案分布时，巨噬细胞的M1极化表型表面标志因子及促炎细胞因子的基因表达相对下调，而M2极化表型表面标志因子及抗炎细胞因子的基因表达相对增强(图5和图6)，巨噬细胞的炎症反应被显著抑制。由此可见，多细胞图案调控了巨噬细胞的极化。同时，太极图案还显著激活了巨噬细胞的成骨因子、血管生成因子的基因表达，抑制破骨分化相关基因表达(图7)，并提高了干细胞的分化潜能，显著促进了成骨相关基因的表达(图8)。
实验动物的空白组为不处理的兔颅骨缺损组。采用兔颅骨缺损模型，测试多细胞图案化支架的体内免疫调控成骨活性。具有太极形多细胞图案的Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架的体内新生骨含量明显高于其他组，骨再生程度较高，显示了更好的成骨性能(图9至图10)。
以上结果表明，这种多细胞图案化Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架在体外营造了更加仿生的体内多细胞微环境，通过改变细胞空间分布可以影响空间结构上两种细胞间的相互作用，从而实现对支架材料免疫调节特性的可控调节，为组织再生创造合适的三维修复性免疫微环境。
实施例2
多细胞图案化的Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架的制备：取50.0g Ca7Si2P2O16生物陶瓷粉、2.5g 45S5生物活性玻璃粉、52.5g光敏树脂进行球磨混合均匀，得到3D打印浆料。按照计算机辅助设计的模型，通过DLP激光快速成型3D打印机制备多通道蜂窝状支架素坯。以2℃/min的速率升温至1400℃烧结，保温时间为3小时，自然降温后得到蜂窝状的纯Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架。按照提前设计的星形、太极形、交错形及反向星形细胞排列图案，将骨髓间充质干细胞和巨噬细胞细胞分别以每孔3μL的悬浮浓缩液接种于蜂窝状支架上对应的微孔道内。支架负载的总细胞量为5×105个，骨髓间充质干细胞和巨噬细胞细胞的数量比例为1:1。交错形多细胞图案的Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架刺激了巨噬细胞向更抗炎的极端表型极化，同时也明显增强了间充质干细胞的成骨作用(图11)。体内骨缺损实验表明，Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架上的交错形多细胞图案可减少炎症反应，促进巨噬细胞向M2型转变，增强新骨的形成。
实施例3
多细胞图案化的Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架的制备：取50.0g Ca7Si2P2O16生物陶瓷粉、2.5g 45S5生物活性玻璃粉、52.5g光敏树脂进行球磨混合均匀，得到3D打印浆料。按照计算机辅助设计的模型，通过DLP激光快速成型3D打印机制备多通道蜂窝状支架素坯。以2℃/min的速率升温至1400℃烧结，保温时间为3小时，自然降温后得到蜂窝状的纯Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架。按照提前设计的星形、太极形、交错形及反向星形细胞排列图案，将骨髓间充质干细胞和巨噬细胞细胞分别以每孔3μL的悬浮浓缩液接种于蜂窝状支架上对应的微孔道内。支架负载的总细胞量为5×105个，骨髓间充质干细胞和巨噬细胞细胞的数量比例为3:1(图12)。星形多细胞图案的Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架在刺激巨噬细胞向M2样表型-极化和促进间充质干细胞的成骨分化方面表现更好。体内实验表明，星形多细胞图案的Ca7Si2P2O16生物陶瓷支架具有增强的骨缺损再生的能力。
实施例3
多细胞图案化的Ca2MgSi2O7生物陶瓷支架的制备：取50.0g Ca2MgSi2O7生物陶瓷粉、2.5g 45S5生物活性玻璃粉、52.5g光敏树脂进行球磨混合均匀，得到3D打印浆料。按照计算机辅助设计的模型，通过DLP激光快速成型3D打印机制备多通道蜂窝状支架素坯。以2℃/min的速率升温至1300℃烧结，保温时间为3小时，自然降温后得到蜂窝状的纯Ca2MgSi2O7生物陶瓷支架。按照提前设计的星形、太极形、交错形及反向星形细胞排列图案，将骨髓间充质干细胞和内皮细胞分别以每孔3μL的悬浮浓缩液接种于蜂窝状支架上对应的微孔道内。支架负载的总细胞量为5×105个，骨髓间充质干细胞和内皮细胞的数量比例为2:1。Ca2MgSi2O7支架上的多细胞图案可显著调控骨髓间充质干细胞的成骨分化，提高内皮细胞的迁移和小管形成，促进内皮细胞在支架上的增殖与成血管相关基因的表达。体内实验表明，多细胞图案化复合的Ca2MgSi2O7支架可以通过促进新生血管的形成，加快骨组织再生。
实施例4
多细胞图案化的羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)生物陶瓷支架的制备：取50.0gCa10(PO4)6(OH)2生物陶瓷粉、2.5g 45S5生物活性玻璃粉、52.5g光敏树脂进行球磨制备3D打印浆料。按照计算机辅助设计的模型，通过DLP激光快速成型3D打印机制备多通道蜂窝状支架素坯。以2℃/min的速率升温至1200℃烧结，保温时间为3小时，自然降温后得到蜂窝状的纯Ca10(PO4)6(OH)2生物陶瓷支架。按照提前设计的星形、太极形、交错形及反向星形细胞排列图案，将骨髓间充质干细胞和雪旺细胞分别以每孔3μL的悬浮浓缩液接种于蜂窝状支架上对应的微孔道内。支架负载的总细胞量为5×105个，骨髓间充质干细胞和雪旺细胞的数量比例为2:1。Ca10(PO4)6(OH)2支架上的多细胞图案可显著调控骨髓间充质干细胞的成骨分化及雪旺细胞神经分化的相关基因的表达，促进组织工程骨的神经化和成骨过程。
Claims (7)
1.一种多细胞图案化的生物陶瓷支架，其特征在于，所述多细胞图案化的生物陶瓷支架包括多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体和适应性装载到多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体的通道的多种类型的细胞，所述通道中分布的细胞形成多细胞排布图案而构建仿生的体内多细胞微环境；所述细胞包括间充质干细胞、内皮细胞、雪旺细胞、巨噬细胞中的至少两种；所述图案包括星形、太极形、交错形的多细胞排布图案；通过调控多细胞的空间位置分布调节细胞间相互作用而实现对支架免疫特性的可控调节；所述多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体具有可控的孔径方向和孔径尺寸；所述多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体的通道具有直径保持在1.0~1.5 mm的大孔结构，所述多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体的通道具有与垂直方向呈30°~ 45°倾斜的夹角。
2.根据权利要求1所述的多细胞图案化的生物陶瓷支架，其特征在于，通过调控多细胞的空间位置分布调节细胞间相互作用而实现对支架成骨性能的可控调节。
3.根据权利要求1或2所述的多细胞图案化的生物陶瓷支架，其特征在于，所述多通道蜂窝状生物陶瓷支架基体的生物陶瓷材料包括磷酸盐生物活性陶瓷、硅酸盐生物活性陶瓷、生物惰性陶瓷中的一种或多种的混合物。
4.根据权利要求1或2所述的多细胞图案化的生物陶瓷支架，其特征在于，多细胞图案化的生物陶瓷支架负载的细胞总量为（2~10）×105个。
5.根据权利要求1或2所述的多细胞图案化的生物陶瓷支架，其特征在于，所述多细胞为两种类型的细胞时，两种类型的细胞的数量比例为1-3：1-3。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的多细胞图案化的生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体：以生物陶瓷材料、生物活性玻璃粉、光敏树脂为原料配置打印浆料，使用所述打印浆料通过激光快速成型3D打印制备多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体的素坯，并将素坯烧结获得多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体；
（2）多细胞图案化的生物陶瓷支架的制备：将不同类型的细胞按照预定的细胞分布图案对应接种在所述多通道蜂窝状生物陶瓷支架载体的相应通道中，得到多细胞图案化的生物陶瓷支架。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的多细胞图案化的生物陶瓷支架在制备组织工程材料中的应用，所述组织工程材料包括免疫调控成骨材料、血管化成骨材料、神经化成骨材料。
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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|---|---|---|---|---|
| CN104710188A (zh) * | 2015-03-02 | 2015-06-17 | 浙江大学 | 一种钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料、制备方法及应用 |
| WO2021032688A1 (en) * | 2019-08-16 | 2021-02-25 | Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main | Mesenchymal stromal cell bone graft material |
| CN110507857A (zh) * | 2019-08-30 | 2019-11-29 | 江南大学 | 一种组织工程化神经移植物及其制备方法 |
| CN111529757A (zh) * | 2020-05-21 | 2020-08-14 | 上海交通大学医学院附属第九人民医院 | 人羊膜间充质干细胞在制备骨再生产品中的用途 |
Non-Patent Citations (3)
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| 3D printing of Haversian bone-mimicking scaffolds for multicellular delivery in bone regeneration;Meng Zhang;《Science Advances》;20200320;文献号2200670 * |
| Cells-micropatterning biomaterials for immune activation and bone regeneration;Bingjun Zhang;《Advanced science》;20220428;第9页material preparation， scaffold fabrication * |
| Haversian bone-mimicking bioceramic scaffolds enhancing MSC-macrophage osteo-imunomodulation;Bingjun Zhang;《Progress in Natural Science:Materials International》;20210525;第884页左栏最后一段，889页左栏1-3段，890页左栏第1段，图1和第885页3.1，第884页2.2 * |
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