在大自然中存在大量具有復雜多級結構、優異功能的物質。模擬生物體的結構與功能對于組織修復來說具有重要意義。傳統的制備技術很難實現生物材料的仿生多級制備，3D打印作為一種先進的技術則可以為仿生生物材料的研究提供一種新的方法。大塊骨缺損的修復一直是現代醫學臨床上的一個挑戰，植入多孔生物支架是目前常用的修復大塊骨缺損的方法。由于骨組織具有多級結構，其發揮了營養傳輸以及存儲的作用。然而，傳統的三維打印生物支架都是由實心的基元一層一層堆積而成，支架不具有多級結構，孔隙率相對較低，且孔隙不能形成連續孔道結構，從而限制了支架內部的細胞擔載以及成骨。如何賦予3D打印支架多級結構對于直寫式三維打印技術來說尤為重要。
近期，中國科學院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員與常江研究員帶領的研究團隊在3D打印仿生生物材料研究方面取得新進展。受到熱狗面包香腸結構的啟發，該小組將3D打印技術與雙定向冰模板技術進行結合。制備出了仿熱狗結構的3D打印支架，這種支架由空心管三維支架作為主體，內含具有連通層狀結構的陶瓷棒，實現了三維支架的多級結構，極大的增加支架的比表面積從而提高支架內部細胞粘附。熱狗結構內的火腿腸能夠提供營養，而支架內部構件熱狗結構的生物陶瓷棒，有利于營養因子的擔載，從而提高細胞的分化與成骨效率。由此，3D打印支架實現了對熱狗從結構到功能的模擬，體現了熱狗仿生的理念。這種多級結構支架具有優異的藥物、蛋白裝載與釋放性能，同時具有促進細胞粘附以及極大的促進成骨的效果。相關研究工作被 Advanced Science（IF：15.8）(Advanced Science，2019; DOI: 10.1002/advs.201901146)接收（該論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生李天，指導導師為吳成鐵研究員）。
3D打印仿熱狗結構支架制備以及形貌
3D打印仿生熱狗支架的體內生物學分析。（a, g）空白組（b, h）空心管支架 （c, i）仿熱狗支架（d, j）載藥仿熱狗支架（f）不僅仿熱狗支架宏觀大管中出現了大量的新骨，同時支架的微觀層狀結構也誘導產生了大量的新骨，顯示了仿生熱狗支架具有優異的骨修復能力。
除此之外，近期該團隊還采用3D打印制備出仿葡萄籽功能的生物活性支架。黑色素瘤是近年來發病率不斷上升的最嚴重的皮膚癌之一。天然葡萄籽提取物含有豐富的黃酮類化合物和低聚原花青素(OPC)，受葡萄籽提取物的啟發，該團隊制備出以OPC作為光熱劑的水凝膠支架，作為黑色素瘤治療和皮膚創面愈合的生物活性支架材料。含OPC的水凝膠支架在近紅外激光照射下具有可控的光熱、流變和力學性。OPC水凝膠支架的光熱性能以及流變特性對近紅外激光功率密度、近紅外激光照射時間和OPC含量有一定的響應。此外，可以通過改變近紅外激光輻照時間來調節水凝膠的力學性能。在近紅外激光照射下，含OPC水凝膠支架迅速升溫，有效地殺死黑色素瘤細胞，抑制體內腫瘤生長。此外，含有OPC水凝膠支架促進人臍靜脈內皮細胞(HUVECs)和人真皮成纖維細胞(HDFs)的粘附、增殖和遷移，并在慢性傷口中明顯促進血管生成和皮膚再生。具有良好的生物相容性和促進傷口愈合的作用，是一種用于黑色素瘤治療和傷口愈合的智能生物材料。其相關工作發表在 ACS Nano（IF：13.9）雜志上（ACS Nano 2019, 13, 4：4302-4311,該論文第一作者為上海硅酸鹽所馬紅石博士，指導導師為吳成鐵研究員）。
受葡萄籽提取物的啟發，3D打印制備出含有原花青素的水凝膠，具有智能可控的光熱性能、流變性能、力學性能，這種含有OPC的智能水凝膠支架可作為黑色素瘤治療的天然光熱劑和創面愈合的生物活性材料。
該研究得到了科技部重點研發計劃、基金委中德國際合作基金以及中科院交叉團隊等項目支持。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201901146
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b09496
