Composites Part B：可定制化45S5陶瓷支架协同外泌体构建血管生成-成骨耦合微环境加速骨再生

由先天性畸形、严重创伤、恶性肿瘤和感染引起的骨缺损是临床实践中的重要问题。目前临床骨移植物有三个关键性需求，1.可定制化强；2.血运重建好；3成骨性能优异。因此，优先开发能够通过增强血管生成-成骨耦合机制，有效促进血管化骨再生的可定制化生物活性材料，是目前骨组织工程中不可或缺的部分。最近，青岛大学附属医院西永明教授团队（山东泰山学者特聘专家）与上海交通大学附属第九人民医院骨科王金武教授（科技部项目首席科学家）团队合作，针对骨组织工程中血管化不足及可定制化的问题，从生物活性支架及细胞间通讯两个方面出发，设计出一种可以通过增强血管生成-成骨耦合作用，有效加速骨再生的可定制化的45S5生物活性支架。

研究团队介绍，商品化生物活性玻璃(45S5)因其良好的生物相容性、骨诱导性和骨整合特性而被用于骨修复，基于45S5的生物活性陶瓷支架通常是通过聚合物泡沫复制来制备的，但这些方法存孔道结构不连通、孔隙率低、力学性能差、缺乏个性化等问题，不能满足血管化骨再生的临床需求。同时，45S5还面临成形性差和易坍塌的弊端，不能有效地进行3D打印以构建临床所需的可定制化生物活性陶瓷支架。因此，迫切需要设计能够进行3D打印的生物活性玻璃前驱体，满足骨缺损的临床可定制化需求，实现血管化骨再生的需求。而来源于内皮祖细胞的外泌体(EPC-exos)表现出与其亲本细胞相似的性质，可通过自分泌或旁分泌机制被受体细胞内化，直接参与血管生成和血管网络的重建，但是内皮祖细胞外泌体促进骨再生的机制尚不明确。

该研究团队通过对45S5前驱体进行双键改性，合成了可快速光固化的45S5前驱体(PG)，并将PG作为磷酸三钙(TCP)粉末的粘结剂，通过基于光聚合的3D打印技术，一步法制备了可定制化的PG/TCP(PT)支架；同时为了提高PT支架的血管化骨再生能力，将GelMA包裹的EPC-exos锚定在PT支架上，构建了一种无细胞的PG/TCP/GelMA@Exos(PT/G@Exos)生物活性陶瓷支架，通过增强血管生成-成骨耦合作用，加速血管化骨再生，最终体内外有效加速骨再生。

研究图例：内皮祖细胞来源的外泌体赋予可光固化3D打印45S5陶瓷支架，增强血管生成-成骨耦合加速骨再生

研究发现，内皮祖细胞外泌体携带的miRNAs可以通过P38/MAPK信号通路促进大鼠BMSC的成骨分化，我们构建的复合支架可以通过负载的外泌体模拟内皮祖细胞介导的血管-骨交流来发挥内皮祖细胞对骨再生微环境的调节作用，以增强血管生成-成骨耦合作用，最终有效促进骨再生。

团队于2024年4月23日，在复合材料领域顶刊《Composites Part B: Engineering》(中科院1区TOP期刊，影响因子13.1, JCR“工程综合领域”179种期刊排名第1位)在线发表了该研究成果。西永明教授博士研究生孔维庆为论文第一作者，研究方向为3D打印、骨修复的血管化调控。项目依托于山东省泰山学者基金(NO.ts20190985)、青岛市科技惠民项目计划（NO.23-2-8-amjk-9-nsh）、国家重点研发计划（NO.2022YFA1207500/NO.2022YFA1104600）及上海交通大学生物材料及再生医学合作研发项目（NO.2022LHBO8）及上海市骨科内植物重点实验室开放课题(No.KFKT202206)的资助。

作者简介

通讯作者：西永明，二级教授、主任医师、博士研究生及博士后合作导师，青岛大学附属医院骨科医院副院长兼脊柱外科病区主任，山东省创伤骨科研究所副所长，青岛大学空间应用与技术研究院院长，青岛大学医学大数据中心主任，山东省 “泰山学者特聘专家”，青岛市专业技术拔尖人才。研究方向：智能辅助诊疗系统，骨科生物材料的研发以及骨代谢相关基础研究。先后在核心期刊发表学术论文70余篇。授权国内外专利16项。参编包括《腰椎间盘突出症》、《颈椎外科学》等著作5部。承担国家重大课题空间生命项目、国家自然科学基金和多项省部级课题。先后获得省部级科技奖励4项，其中第一完成人获山东科技进步奖2项，山东省医学科技成果一等奖1项。

通讯作者：王金武，教授，上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科主任医师，博士研究生及博士后合作导师。十三五和十四五科技部二个国家重点研发计划首席科学家，转化医学国家重大科技基础设施（上海）创新医疗器械注册研究与临床转化服务中心主任、数字医疗与生物3D打印实验室主任，中国生物材料学会生物材料先进制造分会副主任委员，中国医药生物技术协会3D 打印技术分会副主任委员等。长期致力于骨关节外科、数字医学、骨关节生物3D打印及骨科康复领域，先后承担了包括十三五科技部重点研发计划（生物3D打印）、十四五科技部重点研发计划（数字医学与微纳米生物材料）、科技部“863”“973”子课题等国家级课题10项。第一作者或通信作者发表包括Nature与Science旗下子刊等高影响因子论文100余篇。以第一完成人获得2022年度上海市技术发明一等奖，项目名称“四肢骨关节炎的数字化诊疗关键技术与装备开发”。荣获教育部科学技术一等奖、上海医学科技一等奖、上海康复医学科技一等奖和中华医学科技进步一等奖、江苏医学科技奖、吉林省科学技术一等奖等。

参考链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111455

本文由孔维庆供稿