生物3D打印應(yīng)用：靜電紡絲支架促進牙周軟硬組織協(xié)調(diào)再生

牙周炎是一種較為常見的慢性炎癥，常發(fā)生于30歲以上的成年人。若不進行及時有效的治療，將可能導(dǎo)致嚴(yán)重的牙周損壞，包括牙槽骨、牙周韌帶、牙骨質(zhì)等，并最終導(dǎo)致牙齒脫落。針對該疾病，目前主流的治療方法較多，包括齦下刮治術(shù)、根面平整術(shù)、翻瓣術(shù)等手術(shù)方式，也有通過降解膜引導(dǎo)的組織再生法。

 
因組織的成分復(fù)雜性和牙周缺陷的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，組織再生法一直沒有顯著突破。最近，Arwa Daghrery等科研工作者嘗試使用生物3D打印的方式，通過靜電紡絲書寫這一功能構(gòu)建支架，促進牙周組織再生。其創(chuàng)新點主要有以下兩個：一、驗證模擬天然組織的結(jié)構(gòu)和組成可促進組織有效整合這一理論；二、考慮體內(nèi)免疫應(yīng)答在組織再生中的作用，調(diào)整支架成分。

 

實驗細(xì)節(jié)及結(jié)果

 

作者使用的主體材料為PCL——一種FDA批準(zhǔn)可用于人體的聚合物，可在加熱條件下熔融，并可在電場下被拉成極細(xì)的纖維，因此可以應(yīng)用于靜電紡絲書寫中。使用的設(shè)備為放置于生物安全柜中的regenHU生物3D打印機（配備MEW：熔融靜電紡絲書寫打印頭）。將原料顆粒置于料倉中，加熱至90℃并維持30 min后，以一定的氣壓、電壓和速度進行打印。

 

文中提到的實驗主要分為兩部分：

 

一、體外實驗：考察不同打印條件所得支架的細(xì)胞增值情況。作者分別打印出隨機（Random）、有序（Aligned）、小孔（Small Spacing，250 μm間距）、大孔（Large Spacing，500 μm間距）四種支架結(jié)構(gòu)（圖1），在附著細(xì)胞并培養(yǎng)1、3、7天后，分別對細(xì)胞成活率進行檢測。結(jié)果為有序（Aligned）打印模式下的支架效果最好（圖2）。

 

圖1 四種打印支架的結(jié)構(gòu)電鏡圖

圖2 培養(yǎng)細(xì)胞后的支架分別于1、3、7日獲得的細(xì)胞成活率

 

二、體內(nèi)實驗：在大鼠牙槽構(gòu)建模型，驗證模擬天然組織的結(jié)構(gòu)和組成可促進組織有效整合這一理論，闡明纖維形態(tài)學(xué)、纖維間距、化學(xué)組成對牙周組織再生的影響。在這一環(huán)節(jié)，作者選用的支架纖維形態(tài)學(xué)為有序（Aligned），因其在之前的結(jié)果中效果最佳；而纖維間距盡管在上一環(huán)節(jié)表現(xiàn)不盡人意，但為了促進組織再生（提供更大的空間以便于細(xì)胞增殖），作者參考了其他文獻，選用了500 μm的間距；化學(xué)組成則為該課題組之前的研究成果，在普通PCL上覆蓋氟化磷酸鈣（Fluorinated calcium phosphate，F(xiàn)/CaP）使牙槽骨再生更加穩(wěn)固以支撐牙周韌帶的生成；同時，為了防止軟組織滲透進入創(chuàng)傷部分阻礙牙周再生，作者也添加了膠原（Collagen）提供臨時屏障，抵擋牙齦上皮細(xì)胞和纖維原細(xì)胞的侵入。因此在對比實驗中，共有4組，分別為對照組（Sham）、膠原組（Collagen）、覆蓋氟化磷酸鈣的有序骨架組（Aligned+F/CaP）、在空隙填充膠原的覆蓋氟化磷酸鈣有序骨架組（Aligned+F/CaP_COL）。

 

在植入大鼠牙槽后分別于第3、6周檢測骨體積（BV）和骨填充比例（BF），發(fā)現(xiàn)Aligned+F/CaP_COL的表現(xiàn)最佳（圖3）。

圖3 骨體積（BV）和骨填充比例（BF）對比

 

小結(jié)

作者的成果為牙周組織再生提供了新的治療思路，但目前仍停留在小型動物實驗階段。未來如果能成功進行大型動物甚至人體實驗，將大大提升這一方法的可行性。

 

參考文獻

[1] Arwa D, Jessica A. F, Jinping X, et al. Tissue-specific melt electrowritten polymeric scaffolds for coordinated regeneration of soft and hard periodontal tissues[J]. Bioactive Materials 19 (2023) 268–281.

 
 

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