3D打印可降解超分子聚合物增強(qiáng)明膠水凝膠支架

來源：高分子科學(xué)前沿

關(guān)節(jié)軟骨缺損以及膝關(guān)節(jié)軟骨下骨變性是一種罕見的臨床問題，它會導(dǎo)致疼痛，膝關(guān)節(jié)功能障礙，加重關(guān)節(jié)炎，嚴(yán)重的甚至?xí)��?dǎo)致殘疾。而骨軟骨再生能否成功很大程度上取決于構(gòu)建具有重現(xiàn)生態(tài)位線索能力的支架。水凝膠作為一類能用于軟組織和硬組織再生的生物材料，具有很好的應(yīng)用前景。其中，明膠水凝膠由于其良好的生物相容性、生物降解性、生物活性、來源豐富性而被開發(fā)作為3D打印的生物墨水。但傳統(tǒng)的明膠水凝膠由于差的力學(xué)性能無法作為承重支架使用。

近日，天津大學(xué)劉文廣教授和中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院阮長順副研究員團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新型可生物降解的氫鍵強(qiáng)化明膠水凝膠支架并將其用于骨軟骨再生。該梯度水凝膠生物支架由可裂解的聚（N-丙烯酰基-2-甘氨酸）（PACG）和甲基丙烯酸化的明膠（GelMA）（PACG-GelMA）構(gòu)成，能夠在骨軟骨修復(fù)的早期階段提供機(jī)械支持，并最終隨著新組織的向內(nèi)生長而降解。通過引入氫鍵強(qiáng)化的PACG有助于顯著提高明膠水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度高達(dá)1.1 MPa，出色的抗壓強(qiáng)度（高達(dá)12.4 MPa），高的楊氏模量（高達(dá)320 kPa）和高壓縮模量（高達(dá)837 kPa）。其中，在模擬關(guān)節(jié)軟骨-軟骨下骨結(jié)構(gòu)中，通過一步精確的熱輔助擠出打印技術(shù)及后期的UV光聚合得到PACG-GelMA-Mn2+上層軟骨層和載有生物活性玻璃的PACG-GelMA底骨層組成的雙層生物梯度水凝膠支架。BG的摻入可以改善hBMSCs的增殖，ALP活性和分化，而Mn2+的引入可以促進(jìn)hBMSCs的軟骨分化，使得得到的生物混合梯度水凝膠支架在大鼠膝骨軟骨缺損修復(fù)中起到同時(shí)加速軟骨和軟骨下骨分化的優(yōu)越性。

圖文速遞

圖1. 用于修復(fù)骨軟骨缺損的生物混合梯度支架的3D打印示意圖。

A）生物墨水A和生物墨水B的混合物，低溫接收器輔助的3D生物打印方法制備生物混合梯度支架；B）通過UV光引發(fā)聚合和PACG-GelMA網(wǎng)絡(luò)主要?dú)滏I的形成制備穩(wěn)定水凝膠支架；C）在動物實(shí)驗(yàn)中，分別用Mn2+和BG處理生物混合梯度PACG-GelMA水凝膠支架的上層和下層，并用于骨軟骨缺陷治療。

圖2. 力學(xué)性能測試

不同ACG和GelMA初始濃度制備的PACG-GelMA水凝膠A-C）拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；D-F）壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖3. 膠原酶溶液中不同初始濃度的ACG和GelMA制備的PACGX-GelMAY水凝膠在體外的降解行為。

圖4. 不同支架中生長的hBMSCs的軟骨分化和成骨分化的基因分析

A,B）分別培養(yǎng)7天和14天后，軟骨相關(guān)基因的表達(dá)（COL II, 蛋白聚糖, SOX-9, and COLI）；C,D）分別培養(yǎng)7天和14天后，成骨相關(guān)基因的表達(dá)（ALP, OCN, COL I,and RUNX2）。載入Mn2+的PACG10-GelMA10水凝膠支架和載入BG的PACG35-GelMA7水凝膠支架分別顯著提升了軟骨和成骨的分化（與對照組相比，*p < 0.05, #p< 0.01）。

圖5. 不同組4,8,12周修復(fù)軟骨下骨的微CT分析特征三維重建圖像。

原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201900867

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