3D打印關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)關(guān)節(jié)損傷

作者：焦天，連芩

全世界有數(shù)百萬人遭受著骨關(guān)節(jié)炎痛苦的折磨，然而該疾病一直沒有有效的治療方法，在骨關(guān)節(jié)炎治療的終末期，主要通過移植關(guān)節(jié)假體進(jìn)行治療，該方法手術(shù)失敗率比較高，即使手術(shù)成功也伴隨感染、出血等許多并發(fā)癥。目前迫切需求制造生物學(xué)性能、力學(xué)性能接近人體軟骨的可移植軟骨，改善通過軟骨移植治療關(guān)節(jié)損傷的成功率和后期的修復(fù)效果。

愛爾蘭都柏林圣三一學(xué)院Andrew等人提出采用多方式復(fù)合3D打印的方法制造關(guān)節(jié)軟骨，為骨關(guān)節(jié)炎的治療提供了新的思路。課題組采用的打印方法如圖1所示，課題組首先根據(jù)患者關(guān)節(jié)軟骨損傷情況，確定要切除的損傷區(qū)域，個性化的設(shè)計關(guān)節(jié)軟骨移植體；接下來使用FDM（熔融沉積成型）的方法制造PCL（聚己內(nèi)酯）材料軟骨支架，該支架包括軟骨支架和骨支架兩部分，軟骨支架和骨支架的內(nèi)部分別是尺寸大小為0.8mm×0.8mm和1.2mm×1.2mm的微槽，通過加熱的方式將骨支架和軟骨支架粘合在一起；之后進(jìn)行細(xì)胞的種植，先通過微擠出的方式在骨支架區(qū)域的微槽內(nèi)分別打印普朗尼克和混合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的GelMA材料，打印完成后采用紫外光固化GelMA材料，在4℃的低溫下普朗尼克材料被去除，留下的空隙便于細(xì)胞培養(yǎng)過程中細(xì)胞與培養(yǎng)液間進(jìn)行物質(zhì)交換，最后在另一側(cè)的軟骨支架區(qū)域的微槽內(nèi)采用噴墨打印的方式打印骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞懸液。

多方式復(fù)合打印軟骨

課題組對打印的軟骨進(jìn)行了10周的體外培養(yǎng)，通過對打印軟骨中細(xì)胞的細(xì)胞核、硫酸黏多糖和膠原等物質(zhì)的染色以及顯微鏡觀察分析，發(fā)現(xiàn)打印后的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞生長良好，微槽內(nèi)的細(xì)胞通過生長越過了微槽壁與周圍微槽內(nèi)的細(xì)胞進(jìn)行了融合，細(xì)胞硫酸黏多糖、膠原等物質(zhì)的含量均與人體關(guān)節(jié)軟骨中該物質(zhì)的含量接近，并且測得打印的軟骨的應(yīng)變平衡模量值與人體關(guān)節(jié)軟骨應(yīng)變平衡模量值相當(dāng)。課題組設(shè)計的PCL軟骨支架不僅能提高軟骨的力學(xué)性能以滿足移植需求，而且支架中的微槽結(jié)構(gòu)為其內(nèi)部細(xì)胞的生長提供了有利的生長環(huán)境。課題組采用多方式復(fù)合3D打印方法制造實現(xiàn)了多種打印方式、多種材料的打印。課題組通過多方式復(fù)合3D打印方法制造的關(guān)節(jié)軟骨不僅具有人體的解剖學(xué)精度和軟骨移植所需的尺寸，而且在生物學(xué)性能和力學(xué)性能上接近人體的軟骨。未來通過充分的動物實驗研究后，該技術(shù)有望用于關(guān)節(jié)炎等疾病引發(fā)的關(guān)節(jié)損傷的修復(fù)。


參考文獻(xiàn)：
Andrew C. Daly, Daniel J. Kelly. Biofabrication of spatially organised tissues by directing the growth of cellular spheroids within 3D printed polymeric microchambers [J]. Biomaterials,2019,197:194-206

供稿人：焦天，連芩

供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室