仿生半月板支架的3D生物打印

來源：EngineeringForLife

半月板是一種楔形的纖維軟骨組織，承受著復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，包括軸向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和壓縮應(yīng)力。半月板損傷是臨床上常見的運(yùn)動(dòng)損傷。目前對(duì)于嚴(yán)重的半月板損傷，可以采用切除或異體半月板移植，但由于各種原因難以取得良好的療效。組織工程的出現(xiàn)為半月板修復(fù)提供了很有前景的方法。來自解放軍總醫(yī)院骨科研究所的郭全義團(tuán)隊(duì)在Bioactive Materials上發(fā)表了題為“3D bioprinting of a biomimetic meniscal scaffold for application in tissue engineering”的文章，通過雙擠出頭+控溫系統(tǒng)，將聚己內(nèi)酯（PCL）與GelMA-半月板細(xì)胞外基質(zhì)（MECM）混合的生物墨水結(jié)合，制備了一種新型的仿生半月板支架（圖1）。

圖1仿生半月板支架的打印過程

由于MECM顆粒大小對(duì)打印性能影響較大，直徑小于200μm的顆粒打印性較好，研究人員探究了不同超聲破碎時(shí)間及胃蛋白酶消化對(duì)MECM顆粒大小及Ⅰ型膠原含量的影響（圖2）。結(jié)果表明90s超聲破碎后顆粒大小基本滿足打印要求，且對(duì)Ⅰ型膠原含量沒有明顯影響。隨后，研究人員將MECM顆粒與GelMA混合后制備了GelMA/MECM生物墨水，檢測(cè)其生物相容性及誘導(dǎo)半月板纖維軟骨細(xì)胞（MFCs）表達(dá)軟骨相關(guān)基因及蛋白的能力（圖3），并檢測(cè)了其流變性及打印性能（圖4）。

圖2 可打印MECM的制備及性質(zhì)

圖3 GelMA/MECM生物墨水的生物相容性及促進(jìn)軟骨相關(guān)基因表達(dá)的能力

圖4 GelMA/MECM生物墨水的流變性和打印性

隨后，研究人員測(cè)試了雙擠出頭設(shè)備的打印精度，并通過CT掃描羊半月板構(gòu)建了3D模型，成功打印出了PCL與生物墨水混合的仿生半月板支架模型（圖5）。作者將雙擠出頭設(shè)備打印的水凝膠-PCL支架中細(xì)胞的活性與單擠出頭設(shè)備打印的水凝膠支架中細(xì)胞的活性進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示細(xì)胞活性幾乎沒有差異（圖6）。同時(shí)，作者還比較了水凝膠-PCL支架與PCL支架的力學(xué)性能（圖7），并通過分析水凝膠中熒光強(qiáng)度來比較支架中水凝膠在皮下的生物降解情
況（圖8）。

圖5 打印設(shè)備的精度及半月板支架的構(gòu)建

圖6 使用單擠出頭(水凝膠+MFCs)和雙擠出頭(PCL+水凝膠+MFCs)打印后的細(xì)胞存活率比較

圖7 單噴嘴和雙噴嘴打印支架的力學(xué)性能

圖8 水凝膠皮下生物降解的定量熒光分析

最后，研究人員將制備的仿生半月板支架植入膝關(guān)節(jié)，比較了3個(gè)月及6個(gè)月時(shí)的支架降解情況（圖9），在4周和8周時(shí)比較了PCL、PCL+水凝膠及PCL+水凝膠+MFCs組的組織再生情況（圖10），結(jié)果顯示PCL組在對(duì)軟骨組織的形成沒有明顯促進(jìn)作用，PCL +水凝膠組纖維排列有序，而PCL +水凝膠+MFCs組新生組織較多，說明支架具備良好的修復(fù)作用。

圖9 支架的原位生物降解

圖10 在裸鼠模型中對(duì)支架再生效果的初步評(píng)價(jià)

綜上，作者應(yīng)用雙擠出頭+控溫系統(tǒng)，充分結(jié)合了PCL及GelMA/MECM/MFCs生物墨水的優(yōu)勢(shì)，制備了一種新型半月板仿生支架，具有良好的生物相容性、優(yōu)異的力學(xué)性能和生物性能，這些特征與原生的半月板相似，提高了仿生半月板支架在組織工程中的應(yīng)用水平和效率，為半月板修復(fù)提供了新的思路。

論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... 20303170?via%3Dihub