3D打印構建細胞和成分梯度變化的水凝膠及應用

供稿人:姜楠，賀健康

關節(jié)內(nèi)的骨軟骨單元由關節(jié)軟骨和軟骨下骨構成。當骨軟骨單元受損時，如果沒有得到及時治療，會發(fā)展為骨關節(jié)炎。在美國，大約有37%的60歲以上老年人罹患骨關節(jié)炎，每年的治療費用高達900億美元。預防和治療骨關節(jié)炎的重點在于修復軟骨缺損。組織工程技術為骨關節(jié)炎患者帶來了新的希望。它是用帶有或不帶有細胞的支架結(jié)構修復受損軟骨。由于自然的骨軟骨單元具有梯度變化的結(jié)構、成分及機械強度，因此3D打印技術就成為了構建這種梯度單元的可行方案。

近日，來自波蘭華沙工業(yè)大學材料科學與工程學院的研究者們使用3D打印構建細胞和成分梯度變化的水凝膠來修復軟骨缺損。在研究中，研究者制作了可以混合不同打印墨水的點膠針頭。該點膠針頭的兩個入口分別連接用于打印透明軟骨和鈣化軟骨的打印墨水。通過程序控制實現(xiàn)一個入口流量隨時間增加，另一個入口流量隨時間減少。通過層層堆疊構建了成分隨厚度梯度變化的水凝膠結(jié)構。（圖1）

圖1 3D打印水凝膠設備、原理及初步結(jié)果 （a-c 點膠針頭示意圖；d 溶液混合指數(shù)圖；e 3D打印原理圖；f 成分梯度變化的水凝膠結(jié)構）
這種構建成分變化水凝膠的方法能否實現(xiàn)細胞打印呢？研究者們首先將骨髓干細胞和關節(jié)軟骨細胞與透明軟骨打印墨水混合，將骨髓干細胞與鈣化軟骨打印墨水混合。之后將它們使用上述方法構建含有不同細胞的水凝膠。結(jié)果證實，打印后的細胞存活率均超過90%。且在培養(yǎng)了三周后，細胞仍然可以保持高存活率（圖2）。

圖2 3D打印含有不同細胞的水凝膠結(jié)構 （a 細胞打印設計示意圖；b-d 不同細胞混合死活染色；e 細胞活性定量）
為了驗證這種水凝膠支架對骨軟骨單元的修復作用，研究者使用將這種水凝膠支架植入大鼠的膝關節(jié)。研究發(fā)現(xiàn)，植入支架后，膝關節(jié)缺損處可以明顯觀察到軟骨再生。組織學染色證實，缺損處出現(xiàn)了高度分化的軟骨細胞，證實該水凝膠結(jié)構可以促進軟骨損傷后的修復（圖3）。

圖3 3D打印水凝膠體內(nèi)植入后組織學染色

（a-d 低倍鏡和高倍鏡下觀察軟骨細胞分化；e-f 植入水凝膠后膠原沉積及軟骨形成）

這種3D打印構建細胞和成分梯度變化的水凝膠的出現(xiàn)為組織工程促進骨軟骨單元修復的研究提供了新的思路。相信隨著研究的進一步深入，該材料必將應用于臨床使更多的骨關節(jié)炎患者可以盡早康復。

參考文獻：
Idaszek, J., M. Costantini, T.A. Karlsen, J. Jaroszewicz, C. Colosi, S. Testa, E. Fornetti, S. Bernardini, M. Seta, K. Kasarello, R. Wrzesien, S. Cannata, A. Barbetta, C. Gargioli, J.E. Brinchman, and W. Swieszkowski, 3D bioprinting of hydrogel constructs with cell and material gradients for the regeneration of full-thickness chondral defect using a microfluidic printing head. Biofabrication, 2019. 11(4): p. 044101.

供稿人:姜楠，賀健康 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室