近日，上海大学转化医学研究院苏佳灿教授团队/上海交通大学附属第六人民医院施忠民教授团队利用“一锅法” 合成用于骨组织工程的新型生物墨水，通过3D生物打印骨支架，构建能够体内外长时间培养，多细胞分化，自矿化的大尺寸骨类器官，并应用于大段骨缺损的骨再生研究。该工作以Engineering Large-Scale Self-Mineralizing Bone Organoids with Bone Matrix-Inspired Hydroxyapatite Hybrid Bioinks为题发表于国际著名期刊Advanced Materials杂志（科学院分区一区，影响因子29.4）。
研究设计示意图
基于目前临床上大型骨缺损修复的挑战，由于临界骨缺损骨自愈能力的限制，导致恢复时间延长和再生效果不理想。现有的解决方案，如金属植入物、同种异体移植和人工移植存在一些显著的缺陷，例如供体部位的限制、疾病传播的风险和次优的骨整合。高活性功能化骨类器官的构建为解决这一临床难题提供了新策略。骨类器官是基于生物活性材料构建并从干细胞或祖细胞定向分化而来的具有仿生空间特征的三维自我更新和自组织的微骨组织，它们在功能上与原生组织相似，为骨组织工程提供了新的解决方案。然而，由于骨类器官的构建的特殊性，一方面需要大尺寸的空间结构来满足硬骨组织的轮廓结构，另一方面需要有良好的力学性能来完成骨的运动支撑功能。骨类器官的发展一直面临着挑战。目前现阶段的骨类器官的构建存在小尺寸，与自然骨组织相比细胞外基质成分差异大，细胞单一，缺乏空间特征化，结构上没有达到骨的微观结构等问题。聚焦这些关键问题，研究人员通过设计全新的适用骨组织工程的生物墨水，利用数字光处理生物打印技术，精确复制骨组织复杂微观结构，然后在体内外长时间的定向培育，使之分化成含有多种骨髓细胞（血细胞、免疫细胞、血管内皮细胞、软骨细胞、成骨细胞，脂肪细胞和破骨细胞），力学性能良好（杨氏模量MPa级，接近于松质骨），空间拓扑结构类骨（疏松多孔的微纳结构）和大尺寸（厘米级）的功能性骨类器官。并将其应用于骨缺损模型的再生修复，显示出强大的修复能力。
骨类器官多细胞分化能力的鉴定
综上所述，这项研究的临床意义在于它为骨缺损和骨再生提供了一种潜在的、有效的治疗手段，同时也为骨组织工程和相关领域的研究提供了新的工具和策略。骨类器官可用于建立骨病模型，筛选骨代谢药物，并对骨植入材料进行生物学评估。展望未来，对于因各种原因导致骨缺损或坏死的患者，可以提取他们的干细胞，构建骨类器官，然后植入身体的特定部位，如腹部。可以预见，这些构建体将生长和成熟为真正的骨组织，然后可用于受缺陷或坏死影响的区域的骨移植。
上海大学转化医学研究院博士研究生王健、李广峰，博士后吴琰，西安交通大学红会医院周凤金教授为论文共同第一作者。上海大学转化医学研究院苏佳灿教授、任肖湘助理研究员，博士后宋沛然和上海交通大学附属第六人民医院施忠民主任医师为论文共同通讯作者。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202309875
