3D生物打印載干細胞微纖維支架聯合三細胞共培養及二甲雙胍雙階段釋放系統促進大鼠骨/血管/神經協同再生

《Bioactive Materials》:3D-printed microfibers encapsulating stem cells in scaffold with tri-culture and two-stage metformin release for bone/vasculature/nerve regeneration in rats

【字體: 時間:2025年05月22日 來源:Bioactive Materials 18

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  本研究針對臨界骨缺損修復中血管神經再生不足的臨床難題,創新性構建了3D生物打印藻酸鹽微纖維(aMF)-磷酸鈣骨水泥(CPC)復合支架,搭載人牙周膜干細胞(hPDLSCs)、臍靜脈內皮細胞(hUVECs)和周細胞(PCs)的三細胞共培養體系,并設計二甲雙胍(MET)雙階段控釋系統。實驗證實該支架使大鼠顱骨缺損區新生骨量提升2.5倍,血管和神經再生分別增加3倍和3.5倍,TRIM26基因可能通過cAMP-MAPK通路調控再生過程,為復合組織再生提供了新策略。

  

臨界骨缺損修復一直是臨床面臨的重大挑戰,單純促進成骨猶如"單腿走路"——缺乏血管網絡的"營養通道"和神經支配的"調控系統",再生的骨骼往往成為"無源之水"。傳統組織工程支架要么像"獨奏樂器"僅關注骨再生,要么如"短效藥物"無法維持生長因子的持續釋放。更棘手的是,血管和神經再生需要復雜的"細胞交響樂",而現有技術難以模擬這種動態交互。北京口腔醫院的研究團隊在《Bioactive Materials》發表的突破性研究,猶如為這場再生醫學音樂會譜寫了全新樂章。

研究團隊采用3D生物打。‵RESH技術)構建氧化藻酸鹽微纖維(aMF),結合磷酸鈣骨水泥(CPC)形成雙階段釋放支架;通過流式細胞術篩選hPDLSCs,與hUVECs和PCs按4:12:1比例共培養;利用Micro-CT、免疫熒光和RNA測序等技術評估再生效果;采用Western blot驗證TRIM26基因功能。實驗使用SD大鼠雙側顱骨缺損模型(5mm直徑),樣本量每組n=4。

3.1 支架設計與制備
創新性采用FRESH技術打印含7.5%氧化藻酸鹽的200μm微纖維,SEM顯示降解形成的100-300μm大孔道(圖2G),為細胞延伸提供空間。CPC的FTIR和原子力顯微鏡證實PO43-結構(圖2H-I),力學測試顯示其抗彎強度(15MPa)優于松質骨(圖2J)。

3.2 雙階段釋放系統
CPC在1-4天快速釋放MET建立微環境(階段一),aMF在4-12天緩釋MET并釋放細胞(階段二)。HPLC檢測顯示兩階段MET釋放曲線完美銜接(圖2M),pH值穩定在7.2-7.4(圖2O),CCK-8證實三細胞存活率>90%(圖2N)。

3.3 三細胞協同效應
hPDLSCs(CD90+)與PECAM1+的hUVECs、Desmin+的PCs共培養時,形成密集的毛細血管樣結構(圖3F)。200mg/mL MET使ALP活性提升2倍(圖4E),最佳比例組(4:12:1)的礦化結節面積增加3.5倍(圖4G)。

3.5 體內骨再生
Micro-CT顯示實驗組(三細胞+MET)BV/TV值達45%,是對照組的2.5倍(圖5C)。Masson染色顯示成熟骨膠原纖維有序排列(圖5E),IL-1β表達降低60%(圖5G)。

3.6 血管神經再生
CD31+血管密度增加20倍(圖6B),CGRP+神經纖維與新生血管伴行(圖7A)。RNA測序發現TRIM26表達上調4.8倍(圖8H),Western blot證實其通過激活Runx2和MAPK促進再生(圖8J)。

這項研究開創性地將"時空控釋"與"多細胞交響"理念相結合。雙階段MET釋放猶如"精準灌溉系統",先營造再生微環境,再輸送細胞"施工隊";三細胞共培養則像"聯合施工團隊",hPDLSCs作為"建筑師"分泌基質,hUVECs和PCs形成"輸水管網"。特別值得注意的是,TRIM26可能是調控"神經-血管-骨"三位一體再生的"總指揮",這為理解組織再生提供了新視角。該技術未來在頜骨缺損修復中具有重要轉化價值,但需解決三細胞規;囵B的成本問題。正如研究者所言:"真正的再生不是簡單填補空缺,而是重建具有生命力的功能單元。"這項研究正是朝著這個目標邁出的關鍵一步。

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