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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

发布日期:2022/5/18 11:20:57




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,并最终导致牙齿脱落。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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