生物3D打印应用 | 静电纺丝支架促进牙周软硬组织协调再生

背景

牙周炎是一种较为常见的慢性炎症，常发生于30岁以上的成年人。若不进行及时有效的治 疗，将可能导致严重的牙周损坏，包括牙槽骨、牙周韧带、牙骨质等，并导致牙齿脱落。针对该疾病，目前主流的治 疗方法较多，包括龈下刮治术、根面平整术、翻瓣术等手术方式，也有通过降解膜引导的组织再生法。

  因组织的成分复杂性和牙周缺陷的结构复杂性，组织再生法一直没有显著突破。最近，Arwa Daghrery等科研工作者尝试使用生物3D打印的方式，通过静电纺丝书写这一功能构建支架，促进牙周组织再生。其创新点主要有以下两个：一、验证模拟天然组织的结构和组成可促进组织有效整合这一理论；二、考虑体内免疫应答在组织再生中的作用，调整支架成分。

实验细节及结果

作者使用的主体材料为PCL——一种FDA批准可用于人体的聚合物，可在加热条件下熔融，并可在电场下被拉成极细的纤维，因此可以应用于静电纺丝书写中。使用的设备为放置于生物安全柜中的regenHU生物3D打印机（配备MEW：熔融静电纺丝书写打印头）。将原料颗粒置于料仓中，加热至90℃并维持30 min后，以一定的气压、电压和速度进行打印。

文中提到的实验主要分为两部分：

一、体外实验：考察不同打印条件所得支架的细胞增值情况。作者分别打印出随机（Random）、有序（Aligned）、小孔（Small Spacing，250 μm间距）、大孔（Large Spacing，500 μm间距）四种支架结构（图1），在附着细胞并培养1、3、7天后，分别对细胞成活率进行检测。结果为有序（Aligned）打印模式下的支架效果更好（图2）。

图1 四种打印支架的结构电镜图

图2 培养细胞后的支架分别于1、3、7日获得的细胞成活率

二、体内实验：在大鼠牙槽构建模型，验证模拟天然组织的结构和组成可促进组织有效整合这一理论，阐明纤维形态学、纤维间距、化学组成对牙周组织再生的影响。在这一环节，作者选用的支架纤维形态学为有序（Aligned），因其在之前的结果中效果更佳；而纤维间距尽管在上一环节表现不尽人意，但为了促进组织再生（提供更大的空间以便于细胞增殖），作者参考了其他文献，选用了500 μm的间距；化学组成则为该课题组之前的研究成果，在普通PCL上覆盖氟化磷酸钙（Fluorinated calcium phosphate，F/CaP）使牙槽骨再生更加稳固以支撑牙周韧带的生成；同时，为了防止软组织渗透进入创伤部分阻碍牙周再生，作者也添加了胶原（Collagen）提供临时屏障，抵挡牙龈上皮细胞和纤维原细胞的侵入。因此在对比实验中，共有4组，分别为对照组（Sham）、胶原组（Collagen）、覆盖氟化磷酸钙的有序骨架组（Aligned+F/CaP）、在空隙填充胶原的覆盖氟化磷酸钙有序骨架组（Aligned+F/CaP_COL）。

在植入大鼠牙槽后分别于第3、6周检测骨体积（BV）和骨填充比例（BF），发现Aligned+F/CaP_COL的表现更佳（图3）。

图3 骨体积（BV）和骨填充比例（BF）对比

小结

作者的成果为牙周组织再生提供了新的治 疗思路，但目前仍停留在小型动物实验阶段。未来如果能成功进行大型动物甚至人体实验，将大大提升这一方法的可行性。

参考文献

[1] Arwa D, Jessica A. F, Jinping X, et al. Tissue-specific melt electrowritten polymeric scaffolds for coordinated regeneration of soft and hard periodontal tissues[J]. Bioactive Materials 19 (2023) 268–281.

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