利用酶驱动矿化开发可3D打印骨骼支架

洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员开发出一种新方法，可以用羟基磷灰石（HA，骨骼的主要矿物成分）3D打印多孔支架。

该工艺在室温下进行，由天然存在的酶驱动。所制得的支架在矿化四天内即可承受成年人的体重，并在七天内完全具备承重能力。

骨组织工程在传统上采用基于羟基磷灰石的支架，但面临高温加工要求的难题。高温加工不仅消耗大量能源，还阻碍了酶等生物活性成分的掺入。

EPFL团队开发出一种可打印、可注射的”墨水”，巧妙地绕开了这些限制。

这种墨水的制作方法是将碱性磷酸酶嵌入明胶微粒中。随后，将这些微粒置于钙磷离子溶液中进行培养，酶会触发羟基磷灰石晶体形成，从而使打印结构硬化并增强。

经过四天的矿化，这种复合材料在仅1.5厘米见方的面积上就能支撑起成年男性的平均体重。

研究团队还在支架中加入了不含酶的明胶微碎片。这些微碎片在培养过程中会熔化，留下孔隙。在骨折部位植入后，健康细胞可以定植于这些孔隙中。孔隙密度是可调的——研究人员将孔隙配置为约占支架体积的50%，以便细胞浸润和骨骼重塑。

EPFL软材料实验室负责人Esther Amstad表示：”我们的想法是生成一种可3D打印和可注射的’墨水’，它能矿化成支架，其机械性能类似于高孔隙率的小梁骨（即人类椎骨和股骨等长骨末端发现的那种骨骼）。我们希望我们技术所兼具的机械性能、生物活性和节能工艺，能为骨组织工程开辟新途径。”

在一项实验中，研究人员将在支持骨骼生长的培养基中培育的人类干细胞植入支架，14天后检测到了胶原蛋白和骨基质蛋白骨钙素——这两者都是细胞生长的指标。

SMaL团队还报告称，这种酶辅助生成的羟基磷灰石支架表现出的抗压强度可与人体小梁骨相媲美，且性能优于通过高温方法生产的支架。该技术也与市售的生物打印机兼容。

Amstad总结道：”展望未来，我们的工作可能为可注射支架奠定基础，这种支架有助于骨骼再生，并有可能让患者在比现有技术所能达到的早得多的时间内对骨折部位进行负重。”