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一种新型3D打印双层颅骨脑补片促进脑损伤修复和骨组织再生
人阅读 发布时间：2024-04-07 10:06
创伤性脑损伤（TBI）是由头部受到外力冲击、震动或穿刺引起的一种严重脑部损伤，具有高死亡率。除了原发性损伤外，TBI还引发一系列继发性损伤，包括脑水肿、颅内压升高、脑灌注不足和神经功能恶化。目前临床上采用去骨瓣减压术来缓解TBI引发的颅内压升高，降低脑水肿并改善脑血流循环。然而，由于去骨瓣减压术后受损脑实质失去了颅骨屏障的保护，可能会导致脑实质的二次损伤。因此，急需一种生物材料直接植入缺损部位，既能提供临时保护，又能促进自体骨再生。近年来，研究使用水凝胶支架作为治疗颅骨缺损的植入物，促进骨组织再生，但是水凝胶支架用于去骨瓣减压术的同时促进TBI炎症的改善仍是挑战。
针对上述问题和挑战，我们团队利用3D打印技术制备了一种以甲基丙烯酰化丝素蛋白（SFMA）为水凝支架的仿生双层颅-脑补片（SMB6），以实现颅骨缺损和创伤性脑损伤的同时修复。如图1所示，双层颅-脑补片的第一层加入高浓度介孔生物活性玻璃（MBG）以模仿天然骨骼多孔微环境并提供骨诱导环境，实现促进BMSCs的粘附、迁移、增殖和成骨分化。双层颅-脑补片的第二层负载包裹M-CSF和IL-6 的仿生小胶质细胞，避开血脑屏障的低递药率，直接改善 TBI 后的炎症微环境同时促进血管和神经功能改善，破坏继发性伤害之间的级联反应实现对创伤性脑损伤治疗的直接干预。
针对上述问题和挑战，我们团队利用3D打印技术制备了一种以甲基丙烯酰化丝素蛋白（SFMA）为水凝支架的仿生双层颅-脑补片（SMB6），以实现颅骨缺损和创伤性脑损伤的同时修复。如图1所示，双层颅-脑补片的第一层加入高浓度介孔生物活性玻璃（MBG）以模仿天然骨骼多孔微环境并提供骨诱导环境，实现促进BMSCs的粘附、迁移、增殖和成骨分化。双层颅-脑补片的第二层负载包裹M-CSF和IL-6 的仿生小胶质细胞，避开血脑屏障的低递药率，直接改善 TBI 后的炎症微环境同时促进血管和神经功能改善，破坏继发性伤害之间的级联反应实现对创伤性脑损伤治疗的直接干预。
图1 创伤性脑损伤修复及颅骨缺损再生的仿生双层颅脑补片原理图
图2 仿生3d打印双层颅脑贴片的表征
1）颅脑贴片具有相互连接的多孔微观结构，使MBG均匀分布在支架中
研究者发现MBG呈现均匀有序介孔球体而且MBG中的元素均匀地分布在球形纳米粒子上；此外，SFMA/10%MBG水凝胶的表面形貌最粗糙。粗糙度越高，促进成骨作用更明显因此，他们使用SFMA/10% MBG油墨作为贴片的第一层，成功打印出具有不同图案和异质结构的双层颅脑贴片。
研究者发现MBG呈现均匀有序介孔球体而且MBG中的元素均匀地分布在球形纳米粒子上；此外，SFMA/10%MBG水凝胶的表面形貌最粗糙。粗糙度越高，促进成骨作用更明显因此，他们使用SFMA/10% MBG油墨作为贴片的第一层，成功打印出具有不同图案和异质结构的双层颅脑贴片。
图3 仿生3d打印双层颅脑贴片的体内评价
2）3d打印的SFMA支架具有细胞相容性，促进细胞在支架上的粘附和增殖
研究者用BV2和巨噬细胞(Raw 264.7)共孵育SFMA水凝胶渗滤液，共培养24h后，细胞均表现出良好的增殖能力。二维培养1周后，支架表面覆盖了大量活细胞，部分细胞在SFMA支架上生长出纤维触须。并且通过phalloidin染色观察到大量肌动蛋白微丝相互粘附，覆盖整个3D支架；此外，研究者通过碱性磷酸酶(ALP)活性检测发现骨髓间充质干细胞ALP活性随MBG浓度升高而升高。SFMA/10%MBG组ALP阳性面积最大，表明MBG的加入增加了成骨分化的潜力。
研究者用BV2和巨噬细胞(Raw 264.7)共孵育SFMA水凝胶渗滤液，共培养24h后，细胞均表现出良好的增殖能力。二维培养1周后，支架表面覆盖了大量活细胞，部分细胞在SFMA支架上生长出纤维触须。并且通过phalloidin染色观察到大量肌动蛋白微丝相互粘附，覆盖整个3D支架；此外，研究者通过碱性磷酸酶(ALP)活性检测发现骨髓间充质干细胞ALP活性随MBG浓度升高而升高。SFMA/10%MBG组ALP阳性面积最大，表明MBG的加入增加了成骨分化的潜力。
图4 SMB6促进脑损伤修复的体内评估
3）仿生双层颅脑贴片SMB6可抑制脑外伤后脑水肿，具有神经保护功能
在损伤第3天，在左半球的体感和视觉皮层形成局灶性界限清晰的坏死区域和明显的深褐色片状出血灶，且相较于其他组SMB6组淤血较少损伤面积较小。随经14天的治疗后，材料治疗组损伤面积明显小于空白对照组，且负载M-CSF和IL-6的SMB6治疗组效果最好。T2加权磁共振成像也显示SMB6组水肿扩散较浅相较于SMS组略有缓解。研究者通过免疫荧光染色来进一步在细胞层面评估脑损伤的恢复情况。TBI后第7天和第14天，Control 组损伤皮质区域NeuN阳性细胞数量明显减少相较于其他组，证明SMB6负载的M-CSF和IL-6的神经保护功能且显著改善神经元的丢失。
在损伤第3天，在左半球的体感和视觉皮层形成局灶性界限清晰的坏死区域和明显的深褐色片状出血灶，且相较于其他组SMB6组淤血较少损伤面积较小。随经14天的治疗后，材料治疗组损伤面积明显小于空白对照组，且负载M-CSF和IL-6的SMB6治疗组效果最好。T2加权磁共振成像也显示SMB6组水肿扩散较浅相较于SMS组略有缓解。研究者通过免疫荧光染色来进一步在细胞层面评估脑损伤的恢复情况。TBI后第7天和第14天，Control 组损伤皮质区域NeuN阳性细胞数量明显减少相较于其他组，证明SMB6负载的M-CSF和IL-6的神经保护功能且显著改善神经元的丢失。
图5 SMB6对炎症微环境改善作用的评价
4）SMB6的治疗改善炎症微环境，促进组织修复小胶质细胞产生，并减少反应性星形胶质细胞增生
研究者对不同组小鼠治疗第14天脑部进行免疫荧光染色以更直观地观察到脑部各项炎症因子的变化。研究者发现对照组大鼠海马组织高度肿胀，GFAP阳性细胞增多。与Sham组相比，SMB6组仅在受损的实质中显示轻微的星形胶质细胞形成。此外，研究者进一步探讨了小胶质细胞在治疗后是否支持内源性修复。他们发现，与对照组相比，受损皮质中Iba-1和CD206阳性细胞(M2型细胞)更多，表明SMB6改善了脑组织中的炎症微环境。
研究者对不同组小鼠治疗第14天脑部进行免疫荧光染色以更直观地观察到脑部各项炎症因子的变化。研究者发现对照组大鼠海马组织高度肿胀，GFAP阳性细胞增多。与Sham组相比，SMB6组仅在受损的实质中显示轻微的星形胶质细胞形成。此外，研究者进一步探讨了小胶质细胞在治疗后是否支持内源性修复。他们发现，与对照组相比，受损皮质中Iba-1和CD206阳性细胞(M2型细胞)更多，表明SMB6改善了脑组织中的炎症微环境。
图6 SMB6对小鼠神经功能恢复作用的评价
5）仿生双层3d打印颅-脑补片的治疗对恶化的神经功能修复起到了极大的促进作用
研究者对小鼠的运动、探索、认知、学习和记忆能力进行了综合测试。SMB6治疗后，小鼠前肢握力/重量参数在第14天显著高于对照组。在新物体识别实验中，SMB6组小鼠与对照组相比表现出显著差异，说明SMB6组小鼠具有更强的探索和认知能力。研究者利用Morris水迷宫进一步研究SMB6对小鼠学习记忆能力的影响。在学习期间，控制组寻找平台的时间更长，寻找平台的距离也更长。在定位实验中，SMB6组探索目标象限的时间和穿越平台的频率明显高于对照组，说明SMB6处理显著提高了小鼠的空间记忆能力。
图7 SMB6对小鼠血管修复作用的评价
6）SMB6治疗可改善血管功能
研究者发现Control组小鼠脑损伤实质呈现多处瘀斑出血区域、血管局部肿胀畸形和不连续的微血管结构；SMS组呈现曲折和肿胀的微血管结构；然而，SMB6组仅呈现出略微肿胀的微血管结构相较于假手术组（Sham）。各组血红蛋白浓度和血管密度统计均显示与Sham组相似的正常水平。此外，研究者检测CBF以进一步评估血管功能的变化，他们发现与对照组相比，SMB6组损伤皮质血流速度增加。
图8 SMB6治疗促进TBI修复的机制
7）SMB6可促进神经元的产生和信号转导
研究者发现SMB6通过调节突触信号转导、离子通道、白细胞、巨噬细胞和凋亡相关信号通路，改善脑神经炎症微环境，SMB6组细胞凋亡相关指标较少，神经行为指标较好，SMB6组促进了神经元祖细胞、神经管形成细胞的生长，促进了无髓星形胶质细胞的衰老。
图9 SMB6在大鼠颅骨组织再生中的作用评价
8）仿生双层颅-脑补片具有良好的骨再生潜能
研究者发现，在大鼠颅骨缺损模型中，经过12周治疗后，SMB6组缺损区域急剧缩小，且缺损部位表面覆盖大量新生骨组织。为了进一步评估补片的骨再生功能，研究者对缺损部位组织进行HE染色、蕃红固绿染色（SO）和免疫组化染色，他们发现治疗组呈现更多的骨桥蛋白（OPN）和骨钙素（OCN）表达。表明颅-脑补片通过上调OPN和OCN的表达介导骨组织再生。
相关工作以“A Novel 3D Printed Bi-layer Cranial-brain Patch Promotes Brain Injury Repair and Bone Tissue Regeneration”为题发表在《Advanced Functional Materials》上，暨南大学生物医学工程系郭瑞研究员为论文通讯作者，硕士生周莉明为第一作者。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202314330
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