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武漢理工大學(xué)戴紅蓮教授/寶雞文理學(xué)院馮海濤教授 ACS AMI：AIE助力3D打印生物支架實現(xiàn)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(shù)，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(jié)構(gòu)、可控成分、可調(diào)節(jié)機械性能和生理異質(zhì)性的定制物體，這徹底改變了生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)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(shù)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(nèi)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(xué)戴紅蓮教授團隊聯(lián)合寶雞文理學(xué)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(shè)計的熒光支架的基本屬性。(C)熒光支架在體內(nèi)的原位熒光成像。(D)熒光支架抑制體內(nèi)細菌炎癥的過程。


  為了證明體內(nèi)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(nèi)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(jié)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(nèi)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(nèi)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(cè)和右側(cè)（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(xiàn)出相同的炎癥反應(yīng)。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(xiàn)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(xiàn)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(xué)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(guān)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(xué)博士研究生王霄翾和寶雞文理學(xué)院陳璞博士，共同作者為武漢理工大學(xué)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(xué)院馮海濤教授和武漢理工大學(xué)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(xué)基金（32201109、52173152、21805002）、深圳市重點基礎(chǔ)研究計劃（JCYJ20200109150218836）的資助、 廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)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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