Advanced Healthcare Materials：區(qū)域分層人工軟骨的生物3D打印

來源： EngineeringForLife

膝關(guān)節(jié)軟骨的損傷是常見的運動損傷，容易進(jìn)一步發(fā)展為骨關(guān)節(jié)炎。由于關(guān)節(jié)軟骨的自我修復(fù)能力有限，其修復(fù)具有很高的挑戰(zhàn)性。生物3D打印具有制備組織工程軟骨的能力，可以控制不同區(qū)域的細(xì)胞和基質(zhì)的分布。近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）吳洋助理教授與美國賓州州立大學(xué)Ibrahim Ozbolat教授團(tuán)隊在Advanced Healthcare Materials雜志上發(fā)表了題為Hybrid Bioprinting of Zonally Stratified Human Articular Cartilage Using Scaffold‐Free TissueStrands as Building Blocks的文章，利用由人脂肪干細(xì)胞分化而來的軟骨細(xì)胞制備組織束，作為生物打印的墨水。組織束僅由密集排列的細(xì)胞及基質(zhì)組成，不含生物材料，并且具有良好的打印性能與機械穩(wěn)定性，可快速自融合成大尺寸的組織。

首先，人脂肪干細(xì)胞團(tuán)塊被注射到空心的藻酸鈉管中，通過細(xì)胞聚集形成組織束，并進(jìn)行了成軟骨分化。該研究對成軟骨分化的組織束進(jìn)行了大量表征（圖1）。在注射器注射后的細(xì)胞團(tuán)塊中，細(xì)胞成活率達(dá)到90%以上，表明注射過程不影響細(xì)胞活力。同時，組織束的水分含量達(dá)到80％以上，近似人體組織。更重要的是，膠原蛋白在組織束中沿軸向排列，表明組織束制備過程可以引導(dǎo)膠原纖維的定向分布。

圖1 成軟骨分化組織束的表征。（a，b）組織束形成過程中直徑的變化，（c）組織書的含水量，（d）組織束中膠原蛋白的分布，（e）組織束中硫酸鹽粘多糖的分布

其次，文章介紹了區(qū)域分層軟骨的打印過程（圖2）。人工軟骨的下層結(jié)構(gòu)利用吸取式生物打印技術(shù)（aspiration-assisted bioprinting）在針陣列上對組織束進(jìn)行垂直打印實現(xiàn)，上層結(jié)構(gòu)利用擠出式生物打印技術(shù)（extrusion-based bioprinting）對組織束進(jìn)行水平打印實現(xiàn)。兩層組織束在打印后進(jìn)行自融合形成完整的人工軟骨。

圖2 人工軟骨的分層生物3D打印。（a）利用擠出式生物打印技術(shù)打印上層軟骨，（b）利用吸取式生物打印技術(shù)打印下層軟骨，（c）上下層軟骨組織的自融合

接著，研究人員對人工軟骨進(jìn)行了一系列表征。該生物打印軟骨的壓縮模量約為1.1 MPa，與人體關(guān)節(jié)軟骨數(shù)值相似。組織切片顯示人工軟骨的上層和下層組織融合良好，組織束在上層沿水平方向排布，在下層沿垂直方向排布。同時，細(xì)胞與膠原纖維在下層區(qū)域也體現(xiàn)出了垂直排列，在上層區(qū)域沿水平方向排列，與真實軟骨具有一致的解剖學(xué)特征。

圖3 區(qū)域分層人工軟骨的形貌、細(xì)胞與膠原纖維的排列情況，以及與人體真實軟骨組織的比較

綜上所述，該工作利用擠出式與吸取式的復(fù)合3D打印方式，構(gòu)建了一種區(qū)域分層人工軟骨，具有與真實軟骨類似的機械性能與解剖學(xué)構(gòu)造，為軟骨組織的修復(fù)提供了一個閉環(huán)策略，即利用手術(shù)廢物（脂肪組織）的自體干細(xì)胞制備具有高度解剖相似性與臨床可用的大尺寸組織替代物，用于同一病人的受損組織修復(fù)。


論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202001657