牙周病是被世界衛(wèi)生組織認定為危害人類健康的三大疾病之一?；謴脱乐苎滓鸬墓菃适潜苊庋例X松動脫落的關(guān)鍵步驟之一。然而，由于生物功能材料的應用單一以及口腔炎癥和細菌微環(huán)境的存在，目前臨床上廣泛應用的牙周骨再生材料或技術(shù)難以實現(xiàn)牙槽骨再生。南方醫(yī)科大學口腔醫(yī)院于光濤等人聯(lián)合深圳灣實驗室饒浪教授課題組設計開發(fā)了一種3D打印生物墨水用于牙周炎源性骨缺損修復，該生物墨水由EPLGMA為主體并裝載干細胞和細胞囊泡用于發(fā)揮抗菌抗炎促成骨功能。相關(guān)研究成果以題為“3D-printed bioink loading with stem cells and cellular vesicles for periodontitis-derived bone defect repair”的文章發(fā)表在《Biofabrication》上。南方醫(yī)科大學口腔醫(yī)院博士研究生趙瑜越、深圳灣實驗室博士后朱文祥為第一作者，南方醫(yī)科大學口腔醫(yī)院于光濤、容明燈、麻丹丹和深圳灣實驗室饒浪教授為共同通訊作者。
圖1. 仿生3D打印墨水的制備工藝及其對牙周炎源性骨缺損的生物學作用示意圖
作者首先通過摩方精密microArch? S230（精度：2 μm）打印了以EPLGMA為主體的仿生模板，結(jié)合模板法和光引發(fā)聚合合成了EPLGMA@PDLSCs@MDCSs-MV(EPM)。具體步驟如下：首先，將GMA緩慢滴入EPL溶液中，得到EPLGMA，在藍光(405 nm)照射后轉(zhuǎn)化為交聯(lián)水凝膠。然后，將乳牙牙周膜的PDLSCs和MDSCs膜囊泡(MDSCs- MV)加入EPLGMA中形成溶液生物墨水。通過掃描電鏡觀察凍干生物墨水的微觀結(jié)構(gòu)，我們可以清楚地看到網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，這有利于促進PDLSCs的增殖、遷移和營養(yǎng)物質(zhì)或代謝物的運輸，從而發(fā)揮作用（圖2）。
圖2. EPLGMA的特點。(a) EPLGMA制備工藝示意圖。(b) EPLGMA狀態(tài):藍光照射前(左)和照射后(右)。(c)凍干EPLGMA的掃描電鏡。(d) EPL和EPLGMA的1H NMR譜。(e) EPLGMA的時間掃描流變分析。(f) EPLGMA的粘度。(g) EPLGMA的壓應力-應變曲線。
隨后，作者探究了仿生墨水的3D打印性能。作者利用Solidworks軟件建立三維CAD模型，通過對于不同結(jié)構(gòu)的模型進行打印，證明仿生墨水打印出的結(jié)構(gòu)在大尺寸上仍能夠保持一定的精準度。隨后作者用激光共聚焦顯微鏡對打印形狀內(nèi)的細胞進行顯色觀察，結(jié)果顯示細胞在3D打印仿生墨水中的形態(tài)下分布均勻，并且保持良好的活力（圖3）。表明了EPM是一種高效、可行、個性化的打印生物墨水。
圖3. 3D打印系統(tǒng)對EPLMA生物墨水進行個性化3D打印。
為了驗證EPL天然的抗菌潛力，作者將生物墨水與牙齦卟啉單胞菌共培養(yǎng)兩個小時，并將其涂布到血平板上進行觀察。24小時后可見EPM組表現(xiàn)出良好的抗菌效果（圖4）。
圖4. EPM的抗菌性能。(a) EPM抗菌功能示意圖。(b) PBS(對照)和EPM處理2 h后的牙齦卟啉單胞菌(P.g)的血平板培養(yǎng)照片。(c)不同組牙齦卟啉單胞菌數(shù)量的定量評價。(d) PBS(對照)和EPM處理后的牙齦卟啉單胞菌活/死染色。
控制炎癥是牙周炎治療過程中重要步驟。作者利用MDSCs在抗炎中發(fā)揮的作用，首先從荷瘤小鼠體內(nèi)收集MDSCs，并提取MDSCs-MV，然后采用蛋白圖譜分析了MDSCs-MV的蛋白組成。通過KEGG通路分析，結(jié)合免疫熒光實驗結(jié)果，作者表明MDSCs-MV可以通過CD39/CD73-腺苷信號通路靶向抑制微環(huán)境中的T細胞從而發(fā)揮抗炎功能。
最后，為了評估3D生物墨水的成骨能力，作者構(gòu)建了SD大鼠頜骨骨缺損模型，并同期模擬炎癥狀態(tài)，然后根據(jù)骨缺損的面積以及深度，打印出合適的形狀并進行了驗證。經(jīng)過3個月的治療后，通過Mirco-CT以及免疫熒光實驗結(jié)果，EPM@Pg組展示出了最佳的抗菌、抗炎以及促成骨效果。
結(jié)論：作者利用EPLGMA加載PDLSCs和MDSCs-MV，制作了一種新型的、可定制的多功能3D打印模塊，用于治療牙周炎源性骨缺損。該EPM材料繼承了EPL的天然抗菌特性，可以有效地殺滅牙周病細菌，并且在抗炎方面，其中的MDSCs-MV通過CD73/CD39/腺苷信號通路抑制T細胞?？傊?，EPM支架表現(xiàn)出良好的抗菌、抗炎和骨再生效果。與傳統(tǒng)骨粉填充材料相比，3D打印仿生墨水材料具有更加優(yōu)異的生物性能。
原文鏈接：https://doi.org/10.1088/1758-5090/ad2081
