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武汉理工大学戴红莲教授/宝鸡文理学院冯海涛教授 ACS AMI:AIE助力3D打印生物支架实现原位成像和抗炎功能
2023-05-19  来源:高分子科技

  三维(3D)打印作为一种很有前途的增材制造技术,可以通过计算机辅助连续沉积生物材料或细胞来制造具有精确结构、可控成分、可调节机械性能和生理异质性的定制物体,这彻底改变了生物医学工程领域。在骨组织工程中,3D多孔支架为细胞和骨组织的再生提供了附件。然而,在手术和治疗过程中,细菌很容易附着在支架上,侵入支架周围的软组织,甚至累及深层骨组织。此外,在支架植入体内后,支架的降解速度和支架形态的实时观测也非常重要。


  近日,武汉理工大学戴红莲教授团队联合宝鸡文理学院AIE研究中心冯海涛教授团队开发了一种红光发射的AIE发光分子,命名为4BC其可以通过简单的表面吸附作用负载到3D打印的生物支架表面。如图1所示,在激发光照射下,可对植入皮下的支架进行荧光原位成像;此外,4BC分子具有较高的活性氧释放作用,在光照下,4BC可通过活性氧释放作用协助生物活性支架杀死感染的细菌,从而避免炎症的发生。 


1. (A)多功能3D打印荧光支架的合成示意图。(B)设计的荧光支架的基本属性(C)荧光支架在体内的原位荧光成像。(D)荧光支架抑制体内细菌炎症的过程


  为了证明体内获得的支架的荧光成像,在4周龄的裸鼠头部植入荧光支架(4BC@TMP)。用普通相机在日光和荧光灯下拍摄小鼠。如图2A所示,在小鼠头部中清楚地观察到具有圆形的鲜红色荧光,并且荧光面积与支架的大小相当。使用小动物成像仪进一步检查体内支架4BC@TMP荧光成像 (2B)通过与X射线照片比较4BC@TMP的整体尺寸与荧光成像非常一致 (2D2E)。值得注意的是,荧光成像图案与X射线照片完全相反,这是因为小动物成像仪中的X射线和荧光的光路分别位于小鼠的背部和腹部。结果表明,4BC@TMP支架可以通过激发光照射清晰地原位成像。


2. (A) 4BC@TMP在日光和荧光下植入小鼠体内的照片。小动物成像仪下4BC@TMP植入后的(B) RGB光谱,(C) 头部荧光强度的定量分析,**P<0.01以及 (D) X射线灰度光谱(E) 放大的荧光和X射线图像。


  为了进一步评估生物活性支架对体内细菌炎症的抑制作用,他们将原始支架和荧光支架植入小鼠背部的左侧和右侧(1D)。将细菌分别注射到这两个支架置入的部位,然后在白光下照射20分钟。在第4天和第7天对支架周围的皮肤进行H&E和免疫荧光染色。如图3A所示,对照组和原始支架 (TMP) 表现出相同的炎症反应。观察到大量炎症细胞浸润,可能是中性粒细胞或变形的坏死性炎症细胞。然而,荧光支架 (4BC@TMP) 和空白组几乎没有炎症发生。从图3B可以看出,炎症因子TNF-α(绿色)大量出现在对照组和TMP组中,表明有强烈的炎症侵袭。4BC@TMP中观察到的绿色荧光很少,与空白组相似,表明4BC@TMP具有抗炎作用。对于IL-64BC@TMP也表现出良好的抗炎功效;通过ImageJ分析定量指标,显示出显著的抗炎属性(图3C3D)。与对照组相比,4BC@TMP组炎症因子TNF-αIL-6的表达分别仅占30.3%16.7%这就说明,负载4BC的生物活性支架可以帮助杀死支架附近的细菌,从而起到抗炎作用。 


3. (A) 支架植入部位的组织学评估。比例尺=缩小图像为1000 μm,放大图像为100 μm。(B) TNF-α(绿色)和IL-6(红色)免疫荧光染色图像。比例尺= 100μmTNF-αC)和IL-6D)的相对面积覆盖率。(n9**P0.01


  相关研究成果以“In Situ Imaging and Anti-inflammation of 3D Printed Scaffolds Enabled by AIEgen为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces。论文的第一作者是武汉理工大学博士研究生王霄翾和宝鸡文理学院陈璞博士共同作者为武汉理工大学博士研究生杨鹤刘家玮涂溶教授论文通讯作者是宝鸡文理学院冯海涛教授和武汉理工大学戴红莲教授以上研究得到了这项工作得到了国家重点研发计划(2022YFB4601402)、国家自然科学基金(322011095217315221805002)、深圳市重点基础研究计划(JCYJ20200109150218836)的资助、 广东省基础与应用基础研究基金(2020A1515110476等项目支持。

 


  论文链接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c03082

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(责任编辑:xu)
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