3D打印多孔β-TCP复合冻干PRF支架用于骨缺损修复的实验研究

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背景β-磷酸三钙(β-tricalcium phosphate,β-TCP)因与天然骨成分相似,具有优异的生物相容性、生物降解性、骨传导性能和良好的机械性能,而成为目前极具前景的组织工程支架材料,但单独用于骨缺损修复,其诱导成骨效果有限。富血小板纤维蛋白(platelet-rich fibrin,PRF)是第二代血小板浓缩物,因其制备过程不添加任何化学制剂,完全属于自体移植物,且富含大量生长因子,可显著促进软硬组织再生而备受关注,但存在制备后必须立即使用,难以长期储存等缺点。冻干PRF(lyophilized platelet-rich fibrin,L-PRF)的出现,克服了新鲜PRF(fresh platelet-rich fibrin,F-PRF)必须即刻使用的问题,研究表明,L-PRF具有更大的比表面积,且生长因子活性不受影响。但由于其较弱的机械性能和较快的降解性能,故不能单独作为支架材料用于骨缺损的修复。因此,将L-PRF和β-TCP联合用于骨缺损修复具有广阔前景。本研究利用3D打印技术制备具有宏观孔隙的β-TCP支架提供力学支撑,引导新骨生成;其宏观孔隙内经过离心冻干得到微观孔隙的冻干PRF,疏松多孔的微观结构有利于细胞黏附生长,且L-PRF在骨缺损修复早期,可以释放大量生长因子,利于周围自体“种子细胞”向骨缺损处趋化,增殖,促进组织修复和再生。PRF所有成分均来源于自体,避免了免疫排斥和交叉感染的发生,相对于以往单因子应用,多种生长因子更显优势。故本研究制备3D打印多孔β-TCP复合冻干PRF支架,并探究其理化性能,生物相容性及体内外促成骨效果。方法1.采用3D打印技术制备多孔β-TCP支架,消毒灭菌后置于采血管中,注入新鲜的新西兰大白兔动脉血,离心,截取PRF充满支架部分,冻干后即得到目标材料。进行力学检测和X射线衍射(x-ray diffraction,XRD)检测,观察β-TCP支架力学性能和验证支架成分;拍摄扫描电镜观察支架材料表面微形貌。2.选用约一月龄新西兰大白兔,全骨髓贴壁法分离得到兔骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs),采用形态学观察,定向分化诱导和流式细胞术进行细胞鉴定。3.支架材料与兔BMSCs共培养,分别于1,4,7天行钙黄绿素AM(calcein acetoxymethyl ester,calcein AM)/碘化丙啶(propidium iodide,PI)染色,观察细胞活力;细胞计数试剂盒(cell counting kit-8,CCK8)检测支架材料对兔BMSCs增殖影响;于1,4天行鬼笔环肽/DAPI(4’,6-diamidino-2-phenylindole,DAPI)染色;于第3天,拍摄扫描电镜,观察细胞在支架表面黏附情况。于14天行碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)染色,检测细胞ALP活性;于21天进行茜素红染色,检测细胞钙结节形成;q RT-PCR检测21天细胞成骨(RUNX family transcription factor 2,RUNX-2和bone morphogenetic protein 2,BMP2)和成血管(vascular endothelial growth factor,VEGF)相关基因表达情况。4.选用12只重量约2.5 kg的普通级新西兰大白兔,在其桡骨中段构建长15mm的节段性骨缺损,按照实验分组进行骨缺损修复。实验分为4组:(1)空白对照组(不做任何处理);(2)β-TCP组;(3)F-PRF/β-TCP组(新鲜PRF复合β-TCP);(4)L-PRF/β-TCP组(冻干PRF复合β-TCP)。5.术后3个月,处死获取标本,拍摄micro-CT,制作组织学切片并采用HE和Goldner染色,评估骨缺损修复情况。结果1.成功制备3D打印多孔β-TCP复合冻干PRF支架,XRD结果验证支架成分为β-TCP,力学检测显示该支架具有良好的力学性能,扫描电镜结果显示,支架表面附着冻干PRF,疏松多孔,表面积增大。2.成功培养出兔BMSCs细胞,显微镜下见细胞呈长梭形,流式鉴定结果表明,该细胞高表达CD90和CD105,低表达CD34,且定向诱导后染色结果显示细胞具备向成骨细胞,软骨细胞以及脂肪细胞分化的能力,符合干细胞特性。3.Calcein AM/PI染色和细胞增殖实验结果表明,该支架具有良好生物相容性;扫描电镜和鬼笔环肽/DAPI染色结果表明细胞在支架上黏附,生长良好;ALP、茜素红染色结果均表明该支架可以促进兔BMSCs成骨分化;q RT-PCR结果显示,该支架可促进兔BMSCs成骨、成血管方向分化。4.体内实验,micro-CT、HE染色和Goldner染色结果显示,L-PRF/β-TCP支架修复骨缺损取得满意效果。结论3D打印多孔β-TCP复合冻干PRF支架具有良好的机械性能,体外实验表明该支架可促进兔BMSCs增殖和成骨分化,动物实验表明,该支架用于兔桡骨节段性骨缺损修复取得满意效果。
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