学术研究报告：使用3D模具打印技术制造的聚多巴胺修饰羟基磷灰石胶原硅酸钙支架的孔径对骨再生的影响

1. 作者、机构与发表信息

本研究由DJ Lee、J Kwon、DR Yi Kim、X Wang、TJ Wu、YT Lee、S Kim、P Miguez、DR CC Ko合作完成，主要来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校牙科学院口腔与颅面健康科学研究中心（University of North Carolina），部分作者来自韩国釜山国立大学牙科学院正畸学系和中国台湾高雄长庚纪念医院。研究发表于《Orthod Craniofac Res》期刊2019年5月特刊，标题为《Effect of pore size in bone regeneration using polydopamine-laced hydroxyapatite collagen calcium silicate scaffolds fabricated by 3D mold printing technology》，DOI编号10.1111/ocr.12261。

2. 学术背景

本研究属于骨组织工程（bone tissue engineering）领域，聚焦于大尺寸骨缺损修复中支架孔径的优化问题。

背景知识

• 临床需求：由创伤、肿瘤切除或感染引起的临界尺寸骨缺损（critical-sized defect, CSD）需通过移植修复，而自体骨移植（autografting）存在供体稀缺和并发症风险。
  
• 支架材料挑战：理想支架需模拟天然骨的生化与力学特性，其中孔径是影响细胞迁移、血管生成和骨长入的关键参数。既往研究表明，孔径＞300 μm的支架更适于骨再生，但不同材料的最佳孔径尚无定论。
  
• 创新材料：羟基磷灰石胶原硅酸钙（hydroxyapatite collagen calcium silicate, HCCS）复合聚多巴胺（polydopamine, PDA）形成的HCCS-PDA纳米复合材料具有高仿生性和机械强度，但其最佳孔径尚待探索。
  

研究目标

1. 验证3D模具打印技术制造HCCS-PDA多孔支架的可行性；
   
2. 比较250 μm与500 μm孔径支架的机械性能及骨再生效果；
   
3. 确定HCCS-PDA支架促进骨整合（osteointegration）的最优孔径。
   

3. 实验流程与方法

3.1 支架设计与制备

研究对象：两种孔径（250 μm与500 μm）的HCCS-PDA支架（直径8.5 mm，厚度1.2 mm，孔隙率50%）。

关键技术：
- 3D模具打印（mold printing）：使用Solidscape®打印机打印蜡模，通过逆模铸造法制备支架。
- 材料合成：将羟基磷灰石、胶原、多巴胺与硅酸钙混合交联，注入蜡模后溶解模具，获得多孔结构。
- 后处理：支架经戊二醛固定、甘氨酸中和、干燥及环氧乙烷灭菌。

机械性能测试：采用Instron万能试验机进行压缩测试，每组5个样本，分析最大抗压强度。

3.2 细胞实验与动物模型

研究对象：
- 细胞：Sprague-Dawley大鼠骨髓间充质干细胞（rat mesenchymal stem cells, rMSCs），经CD44/CD90阳性标记及多向分化能力验证。
- 动物：12只雄性SD大鼠（260-320 g），随机分为250 μm与500 μm支架组（每组n=6）。

实验步骤：
1. 细胞接种：将5×10⁶ rMSCs与BMP-2（10 μg/ml）混合于Matrigel中，接种至支架孔隙。
2. 手术植入：在大鼠颅骨制造8 mm CSD，植入支架后缝合骨膜并覆盖钛网。
3. 术后管理：给予抗生素（头孢唑林）及镇痛药（布托啡诺）1周。

3.3 影像学与组织学分析

时间点：术后8周取材。
- MicroCT：使用Skyscan 1076扫描，重建3D图像，量化新骨体积与缺损覆盖率。
- 组织学：Techovit®包埋切片，Stevenel’s blue与Van Gieson染色，测量新骨形成面积、纤维组织浸润及骨长入深度。

数据分析：单侧t检验比较组间差异。

4. 主要研究结果

4.1 支架物理特性

• 机械强度：500 μm支架的抗压强度（67.98 ± 5.64 kgf）显著高于250 μm支架（32.76 ± 4.37 kgf）。
  
• 微观结构：SEM显示两种孔径支架均具有良好互连孔隙，但500 μm组孔隙通道更宽。
  

4.2 骨再生效果

• MicroCT：500 μm组的缺损覆盖率（96.96 ± 4.57%）、新骨体积（57.67 ± 6.14%）均显著优于250 μm组（74 ± 5.31%；23.39 ± 2.75%）。
  
• 组织学：
  
  • 500 μm组：新骨贯穿孔隙，与支架界面无纤维组织（新骨渗透率39.66 ± 8.24%）。
    
  • 250 μm组：仅边缘骨形成，孔隙内纤维组织占34.55 ± 7.80%。
    

4.3 结果逻辑链

机械强度优势→促进支架稳定性→增强细胞迁移与血管化→骨长入效率提升→最终再生效果优化。

5. 结论与价值

科学结论

500 μm孔径的HCCS-PDA支架通过以下机制优化骨再生：
1. 更高的机械强度减少术中微动；
2. 大孔径促进细胞/血管浸润；
3. 互连孔隙结构引导骨整合。

应用价值

• 临床转化：为CSD修复提供定制化支架设计方案。
  
• 技术革新：3D模具打印实现了仿生材料的高精度加工。
  

6. 研究亮点

1. 材料创新：首次将PDA修饰的HCCS纳米复合材料用于可控孔径支架。
   
2. 方法学：开发逆模铸造法克服快速凝固材料的打印难题。
   
3. 明确参数：确立500 μm为HCCS-PDA最优孔径，填补该材料参数空白。
   

7. 其他价值

• 局限性：未探讨支架降解速率匹配问题，建议未来结合动态监测技术优化。
  
• 延伸方向：可进一步研究性别差异（如骨质疏松模型）对再生的影响。
  

（注：全文严格遵循术语翻译规范，首次出现时标注英文原词，如“临界尺寸骨缺损（critical-sized defect, CSD）”）