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武漢理工大學戴紅蓮教授/寶雞文理學院馮海濤教授 ACS AMI：AIE助力3D打印生物支架實現原位成像和抗炎功能
2023-05-19  來源：高分子科技

  三維（3D）打印作為一種很有前途的增材制造技術，可以通過計算機輔助連續(xù)沉積生物材料或細胞來制造具有精確結構、可控成分、可調節(jié)機械性能和生理異質性的定制物體，這徹底改變了生物醫(yī)學工程領域。在骨組織工程中，3D多孔支架為細胞和骨組織的再生提供了附件。然而，在手術和治療過程中，細菌很容易附著在支架上，侵入支架周圍的軟組織，甚至累及深層骨組織。此外，在支架植入體內后，支架的降解速度和支架形態(tài)的實時觀測也非常重要。


  近日，武漢理工大學戴紅蓮教授團隊聯合寶雞文理學院AIE研究中心馮海濤教授團隊開發(fā)了一種紅光發(fā)射的AIE發(fā)光分子，命名為4BC；其可以通過簡單的表面吸附作用負載到3D打印的生物支架表面。如圖1所示，在激發(fā)光照射下，可對植入皮下的支架進行熒光原位成像；此外，4BC分子具有較高的活性氧釋放作用，在光照下，4BC可通過活性氧釋放作用協(xié)助生物活性支架殺死感染的細菌，從而避免炎癥的發(fā)生。 


圖1. (A)多功能3D打印熒光支架的合成示意圖。(B)設計的熒光支架的基本屬性。(C)熒光支架在體內的原位熒光成像。(D)熒光支架抑制體內細菌炎癥的過程。


  為了證明體內獲得的支架的熒光成像，在4周齡的裸鼠頭部植入熒光支架(4BC@TMP)。用普通相機在日光和熒光燈下拍攝小鼠。如圖2A所示，在小鼠頭部中清楚地觀察到具有圓形的鮮紅色熒光，并且熒光面積與支架的大小相當。使用小動物成像儀進一步檢查體內支架4BC@TMP熒光成像 (2B)。通過與X射線照片比較，4BC@TMP的整體尺寸與熒光成像非常一致 (圖2D和2E)。值得注意的是，熒光成像圖案與X射線照片完全相反，這是因為小動物成像儀中的X射線和熒光的光路分別位于小鼠的背部和腹部。結果表明，4BC@TMP支架可以通過激發(fā)光照射清晰地原位成像。


圖2. (A) 4BC@TMP在日光和熒光下植入小鼠體內的照片。小動物成像儀下4BC@TMP植入后的(B) RGB光譜，(C) 頭部熒光強度的定量分析，**P<0.01以及 (D) X射線灰度光譜。(E) 放大的熒光和X射線圖像。


  為了進一步評估生物活性支架對體內細菌炎癥的抑制作用，他們將原始支架和熒光支架植入小鼠背部的左側和右側（圖1D）。再將細菌分別注射到這兩個支架置入的部位，然后在白光下照射20分鐘。在第4天和第7天對支架周圍的皮膚進行H&E和免疫熒光染色。如圖3A所示，對照組和原始支架 (TMP組) 表現出相同的炎癥反應。觀察到大量炎癥細胞浸潤，可能是中性粒細胞或變形的壞死性炎癥細胞。然而，熒光支架 (4BC@TMP組) 和空白組幾乎沒有炎癥發(fā)生。從圖3B也可以看出，炎癥因子TNF-α（綠色）大量出現在對照組和TMP組中，表明有強烈的炎癥侵襲。4BC@TMP中觀察到的綠色熒光很少，與空白組相似，表明4BC@TMP具有抗炎作用。對于IL-6，4BC@TMP也表現出良好的抗炎功效；通過ImageJ分析定量指標，顯示出顯著的抗炎屬性（圖3C和3D）。與對照組相比，4BC@TMP組炎癥因子TNF-α和IL-6的表達分別僅占30.3%和16.7%。這就說明，負載4BC的生物活性支架可以幫助殺死支架附近的細菌，從而起到抗炎作用。 


圖3. (A) 支架植入部位的組織學評估。比例尺=縮小圖像為1000 μm，放大圖像為100 μm。（B） TNF-α（綠色）和IL-6（紅色）免疫熒光染色圖像。比例尺= 100μm。TNF-α（C）和IL-6（D）的相對面積覆蓋率。（n＝9）**P＜0.01。


  相關研究成果以“In Situ Imaging and Anti-inflammation of 3D Printed Scaffolds Enabled by AIEgen”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》。論文的第一作者是武漢理工大學博士研究生王霄翾和寶雞文理學院陳璞博士，共同作者為武漢理工大學博士研究生楊鶴、劉家瑋和涂溶教授，論文通訊作者是寶雞文理學院馮海濤教授和武漢理工大學戴紅蓮教授。以上研究得到了這項工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2022YFB4601402）、國家自然科學基金（32201109、52173152、21805002）、深圳市重點基礎研究計劃（JCYJ20200109150218836）的資助、 廣東省基礎與應用基礎研究基金（2020A1515110476）等項目支持。

 


  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c03082

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（責任編輯：xu）
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