中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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2022年8月31-9月2日 | 上海世博展览馆1&2号馆

 

上海医疗器械展介入医械专文速览:关于骨修复与再生材料的研究

2022-06-22

临床上,由创伤、肿瘤切除、感染、退行性疾病等原因导致的骨缺损治疗一直是重大的挑战,这要求植入材料不仅能填充骨缺损区域,而且需要促进骨再生,恢复受损部位正常的生理功能。包括用新型组织工程材料模拟天然骨的结构、力学和生物学特性,有望为骨缺损患者提供更好的临床治疗。上海医疗器械展Medtec中国展鉴于此,特分享总结最新的技术相关研究,选了与GelMA参与构建骨修复体系相关的文献,按照体系性能应用进行总结归类。

水凝胶因具有类细胞外基质特性而广泛应用于骨修复材料体系的构建。其中甲基丙烯酰化明胶(GelMA),是一种双键改性明胶,可通过紫外及可见光在光引发剂作用下交联固化成胶。GelMA兼具天然和合成生物材料的特征,具有适于细胞生长和分化的三维结构、优异的生物相容性和细胞反应特性,可替代人工基底膜或其他天然胶原蛋白水凝胶。此外,GelMA具备良好的温敏凝胶特性和可降解性,机械性能可调以及促成骨分化和血管化等优点,已被众多研究者引入骨修复材料体系中。

为了方便大家了解GelMA在骨修复方面的应用。


(一)复合生物陶瓷提高骨传导性 由创伤或疾病引起的骨折或大面积骨组织缺损,仅靠骨组织的自我修复很难愈合,必须通过仿生重建技术来恢复其形状和功能,这个过程往往需要借助生物陶瓷类替代材料。GelMA水凝胶可作为这类生物陶瓷的优良载体,借助3D打印和微流控等技术制备仿天然骨支架,提高支架的良好骨传导性,在骨缺损部位发挥与组织间的活性作用,加速骨修复进程。 1. ACS Applied Materials & Interfaces: 用于3D打印的促成骨互穿网络生物墨水 材料:GelMA、离子交联的卡帕卡拉胶(kCA)、带电纳米硅酸盐(nSi)方法:nSi、GelMA和kCA结合形成了具有离子-共价缠绕网络结构的生物墨水(NICE),利用3D挤出打印后经光固化成型。结果: NICE生物墨水具有3D生物打印骨组织的多种理想特性,包括高打印性能、酶降解性和骨诱导性。—
2. Chemical Engineering Journal:机械增强的可注射生物活性纳米复合物水凝胶用于原位骨再生 材料:GelMA、锶(Sr)掺杂硬硅钙石(CSH)纳米线(Sr-CSH)方法:水热法合成了Sr-CSH,将其与GelMA复合,得到了GelMA/Sr-CSH水凝胶预聚体溶液,通过注射器注射到具有复杂几何形状的骨缺损中进行原位光固化。结果:GelMA/Sr-CSH水凝胶能促进体外成骨分化和血管生成因子的分泌,可通过激活ERK/p38通路诱导BMSCs成骨分化促进颅骨缺损部位的新骨形成。
3. Chemical Engineering Journal: 用于固定和促进成骨的生物可降解双交联粘合剂 材料:氧化葡聚糖(oDex)、GelMa、氨基化介孔生物玻璃(AMBGN)方法:利用低取代度GelMA与oDex通过席夫碱共价交联AMBGN形成骨粘接剂,在骨折部位进行光交联固定骨折碎片。结果:双交联GelMa-oDex-AMBGN水凝胶骨粘合剂能固定骨折碎片,其中AMBGN具有良好的成骨能力,该凝胶粘合剂为治疗粉碎性骨折提供了一种新的候选方案。— 点击图片 查看详情 —
4. Bioactive Materials : 模拟缺氧的3D生物玻璃纳米粘土支架促进内源性骨再生 材料:生物活性玻璃(BG)、纳米黏土(XLS)、去铁胺(DFO)、GelMA方法:将DFO负载在BG上,XLS纳米片作为聚合物的填料和物理交联剂,GelMA涂层修饰BG-XLS支架后光固化得到BG-XLS/GelMA-DFO。结果:BG-XLS/GelMA-DFO支架能够模拟乏氧环境,通过激活乏氧诱导因子HIF-1α的表达诱导新生血管化;能促进人脂肪间充质干细胞的成骨分化;两者协同作用下促进内源性骨再生。
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(二)复合活性因子提高血管化和神经再生

研究表明,影响骨组织再生成功与否的决定因素是移植物的再血管化。GelMA基水凝胶骨组织修复材料往往需要添加促血管化和神经再生的生长因子,克服生长因子易失活的缺点,进而促进再血管化,为移植骨的新骨生成提供了丰富的氧合营养物质,激活成骨细胞,加快骨修复进程。

5. Advanced Functional Materials: 生物打印结构模拟骨化中心微环境用于骨再生中的靶向神经支配

材料:GelMA、甲基丙烯酰化海藻酸盐(AlgMA)、神经生长因子(NGF)、硅酸镁锂(Lap)方法:GelMA和AlgMA为基底材料,负载NGF和Lap,光固化后通过生物打印技术得到[email protected]构建体。结果:在体内,该构建体增加了植入物周围组织中的神经血管网络密度,促进了骨髓间充质干细胞的成骨分化,并有效改善了颅骨缺损模型中的骨再生。


6. Bioactive Materials: 骨再生单元复合脱钙骨框架材料修复大体积骨缺损

材料:GelMA、甲基丙烯酰化透明质酸(HAMA)、脱钙骨基质(DBM)、血管化生长因子(VEGF)方法:利用微流控技术对负载DBM微粒和VEGF的凝胶液体进行光聚合制备GelMA/HAMA水凝胶微球(VDGH),然后接种骨髓间充质干细胞(BMSCs)并进行成骨诱导培养构建骨再生单元(BRUs)。结果:BRUs可以直接注射至裸鼠皮下实现异位成骨;BRUs也可以复合DBM框架材料构建具有三维形态的组织工程骨,并成功修复了兔子胫骨缺损。


7. ACS Nano: 微流控水凝胶微球促进松质骨再生

材料:GelMA、双膦酸盐(BP)、镁离子(Mg2+)方法:利用微流控技术制备粒径可控的GelMA-BP水凝胶微球,随后捕获Mg2+ 得到GelMA-BP-Mg。结果:体内和体外实验结果表明,复合微球通过刺激成骨细胞和内皮细胞,抑制破骨细胞,有利于成骨和血管生成,最终有效促进松质骨再生。


8. Bioactive Materials : 受“莲蓬”启发构建内部血管化的3D打印支架促进骨修复

材料:GelMA、去铁胺(DFO)脂质体、陶瓷支架方法:利用微流控技术制备了负载去铁胺(DFO)脂质体的GelMA微球,随后将其直接注射到3D打印支架内部,成功构建了内部血管化的3D打印支架。结果:该研究证实了所制备支架优越的材料学和生物学性能。由于该支架兼具内部血管化和诱导BMSCs向成骨分化的潜能,促进了3D打印支架的在骨修复领域的应用,3D打印技术近年来逐渐渗透至医疗器械的各个领域, 除了在骨科领域的应用,上海医疗器械展Medtec中国展现场特设“3D打印材料及技术在医疗器械领域中的应用”。来Medtec中国展现场探索新时代3D打印在医疗领域的研发与设计,与国内外领先企业对话,聆听齿科领域学者、企业负责人的专业分享。


9. Bioactive Materials: 仿生Ti-6Al-4V合金/GelMA具有增强成骨和促血管生成能力,用于大骨缺损的修复

材料:GelMA、仿生多孔Ti-6Al-4V金属支架(PT)方法:将GelMA水凝胶通过“偶联分子桥”技术负载到3D打印的多孔钛合金支架表面与内部,构建出具有双重仿生特性(微孔结构和组织力学仿生)的多孔钛合金复合支架(GMPT)结果:该双重仿生复合支架既可以满足人体承重的需求,同时又能赋予多孔钛合金支架更好的促进成骨和血管生成能力。


10. Small: 可注射的GelMA晶胶微球用于模块化细胞递送和血管化骨再生

材料:GelMA、人骨髓间充质干细胞(hBMSC)、人脐静脉内皮细胞(HUVEC)方法:通过将乳液技术与梯度冷却冷冻凝胶相结合来制造多孔形状记忆晶胶微球GelMA CMS,以用于细胞递送。结果:具有多孔结构的GelMA CMS显示出生物相容性和注射能力,可促进hBMSC和HUVEC的粘附,并在注射过程中保护细胞,实现了成骨和血管生成。


(三)复合促骨生长因子增强骨诱导能力

骨损伤和修复过程涉及到多种生长因子的调控,这类生长因子在参与调节骨生长、分化以及重塑等多种生物学过程中具有重要作用。GelMA基骨组织复合支架负载诱导骨生长因子在骨修复进程中能够有效缩减骨缺损愈合的时间。

11. Advanced Healthcare Materials: GelMA+骨生长肽共交联水凝胶用于骨再生

材料:GelMA、双键改性的骨生长肽(OGP)方法:通过GelMA和双键改性的OGP在紫外光下共交联制备了GelMA-c-OGP水凝胶。结果:GelMA-c-OGP水凝胶在体内外具有较好的成骨诱导活性和促骨生成能力。


来源:EngineeringForLife