蘇州大學(xué)的曲靜團(tuán)隊(duì)：擠出式生物3D打印GelMA-MSCs支架用于修復(fù)軟骨損傷

由急性創(chuàng)傷、慢性勞損、退行性疾病等原因?qū)е碌能浌菗p傷是臨床上常見(jiàn)的病癥。軟骨組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不含血管，致使其自我修復(fù)能力有限。目前治療軟骨缺損的主要方法是采用軟骨模擬植入物或微骨折手術(shù)加速組織修復(fù)和再生，但這些方法具有侵襲性，且修復(fù)過(guò)程大多不可控，伴隨較嚴(yán)重的副作用。因此，需要進(jìn)一步探索新的軟骨修復(fù)或替代材料。

甲基丙烯酰化明膠（GelMA）作為最常用的水凝膠材料之一，兼具天然和合成生物材料的特征，具有適于細(xì)胞生長(zhǎng)和分化的三維結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的生物相容性和細(xì)胞反應(yīng)特性，可替代人工基底膜或其他天然膠原蛋白水凝膠。擠出式生物3D打印技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于可打印的生物相容性材料范圍廣泛（包括細(xì)胞團(tuán)、載細(xì)胞水凝膠、微載體、脫細(xì)胞基質(zhì)成分等），涵蓋了粘度范圍從30 mPa/s 到6×107 mPa/s[1]的生物材料，可對(duì)大多數(shù)打印墨水良好匹配，形成范圍廣闊的材料應(yīng)用領(lǐng)域，已在體外組織構(gòu)建、組織修復(fù)、人工假體等相關(guān)領(lǐng)域有所應(yīng)用。

來(lái)自蘇州大學(xué)的曲靜團(tuán)隊(duì)通過(guò)利用EFL擠出式生物3D打印機(jī)（EFL-BP-6601）制備了一種用于軟骨修復(fù)的負(fù)載骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞GelMA水凝膠（GelMA-MSCs）支架，通過(guò)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明該支架可以為細(xì)胞間和細(xì)胞/基質(zhì)間的相互作用提供良好的微環(huán)境和生化線索，從而促進(jìn)軟骨損傷膠原纖維的再生和功能恢復(fù)。相關(guān)研究“Experimental study on repair of cartilage defects in the rabbits with GelMA-MSCs scaffold prepared by three-dimensional bioprinting”發(fā)表于《International Journal of Bioprinting》雜志上。

圖1 GelMA-MSCs支架模型的構(gòu)建

在打印墨水的選擇上，該研究選用以甲基丙烯�；�明膠（GelMA）為主墨水成分，GelMA為雙鍵改性明膠，其溶液可在紫外（UV）光照射下可交聯(lián)固化成凝膠，GelMA分子中含有RGD細(xì)胞黏附序列，其形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的生物相容性，可以制造載細(xì)胞的具有微-納米多孔的水凝膠支架，可以為細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、遷移和分化提供合適的3D環(huán)境，這對(duì)進(jìn)一步的營(yíng)養(yǎng)輸送和缺損修復(fù)至關(guān)重要。更大的孔徑可以產(chǎn)生更大的空間，有利于細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖和遷移。考慮到支架植入缺損后動(dòng)物在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)脫落的現(xiàn)象，適當(dāng)?shù)闹Ъ苋苊浡士梢允蛊涓�好地貼合缺損，研究人員最終選用 5wt% GelMA-60 用于全層軟骨缺損的修復(fù)。

圖2 GelMA-MSCs支架材料的生物相容性

由于缺乏諸如細(xì)胞調(diào)節(jié)行為和遷移等因素，GelMA與單獨(dú)的干細(xì)胞組合的進(jìn)一步應(yīng)用受到限制。因此，研究人員通過(guò)調(diào)控因子（microRNA-410）調(diào)控了MSCs在微環(huán)境中的生物學(xué)行為，在體外促進(jìn)了MSCs的遷移、增殖和成軟骨分化（圖3，圖4）。

圖3 microRNA-410在MSCs中的表達(dá)

圖4 microRNA-410過(guò)表達(dá)促進(jìn)兔MSCs的增殖

為進(jìn)一步探究microRNA-410的作用，研究人員將動(dòng)物實(shí)驗(yàn)分為三組：空白組、GelMA-MSC組、GelMA-microRNA-410-MSC組。對(duì)三組實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行定量評(píng)價(jià)（圖5）、微CT掃描（圖6）以及組織染色（圖7，圖8），結(jié)果均發(fā)現(xiàn)GelMA-microRNA-410-MSC組在三組中修復(fù)效果最好，可實(shí)現(xiàn)軟骨細(xì)胞的再生修復(fù)，使兔軟骨缺損模型對(duì)軟骨表面及表面缺損的下層組織達(dá)到整體修復(fù)效果，表明microRNA-410可促進(jìn)軟骨缺損修復(fù)，在體內(nèi)修復(fù)軟骨缺損方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖5 GelMA-MSCs支架對(duì)表面缺損修復(fù)的定量評(píng)價(jià)

圖6 顯微CT掃描和定量分析

圖7 HE、Masson三色和S-OS FS染色分析

圖8 Col II和BMP 2染色分析

綜上，本研究開(kāi)發(fā)了一種擠出式生物3D打印策略來(lái)制造軟骨修復(fù)支架，該支架可模仿軟骨表面和淺表軟骨下組織，以提供適合修復(fù)的微環(huán)境，在軟骨修復(fù)方面的具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

文章來(lái)源：
http://dx.doi.org/10.18063/ijb.v9i2.662