Chem. Mater：生物3D打印高彈性墨水用于半月板纖維軟骨組織再生

來源：上普生物

生物工程纖維軟骨組織以恢復(fù)半月板功能是組織工程研究的熱點(diǎn)。生物3D打印技術(shù)也被用于此領(lǐng)域以滿足臨床對復(fù)雜軟骨結(jié)構(gòu)的制造需求，近期，Wake Forest的James J. Yoo和Sang Jin Lee課題組在Chemistry of Materials（IF=9.567）期刊上發(fā)表了“3D Bioprinted Highly Elastic Hybrid Constructs for Advanced FibrocartilaginousTissue Regeneration”的文章，通過打印結(jié)冷膠/纖維蛋白原（GG / FB）復(fù)合生物墨水與一種絲素甲基丙烯酸甲酯（Sil-MA）生物墨水，來制造用于纖維軟骨再生的高彈性復(fù)合構(gòu)建體。

研究背景
小知識(shí)纖維軟骨：纖維軟骨主要見于膝部，顳下頜關(guān)節(jié)（TMJ）和椎間盤纖維環(huán)（IVD）的半月板中。半月板是無血管的，導(dǎo)致固有的再生能力差，損傷常導(dǎo)致變性。由于受半月板組織變性影響的患者人數(shù)增加，關(guān)節(jié)鏡部分半月板切除術(shù)（APM）是最常見的骨科手術(shù)之一。迄今為止，由于缺乏拉伸和壓縮特性好，可變形性優(yōu)異和匹配復(fù)雜彎月面的微結(jié)構(gòu)的獨(dú)特生物工程結(jié)構(gòu)，因此缺乏優(yōu)異的治療方案可以選擇。 因此，迫切需要生物工程化纖維軟骨組織構(gòu)建物的先進(jìn)策略。

生物3D打印技術(shù)為生物制造類似于天然組織的解剖學(xué)，生物力學(xué)和生物學(xué)特性的患者特定結(jié)構(gòu)提供了有希望的通用選擇。這是通過精確打印多種成分（包括細(xì)胞和生物材料）實(shí)現(xiàn)的。生物墨水提供了能夠模仿體內(nèi)微環(huán)境以支持細(xì)胞粘附，增殖和分化的3D網(wǎng)絡(luò)。而且，可以通過生物墨水組成來調(diào)節(jié)打印結(jié)構(gòu)的功能和生物力學(xué)特性。因此，生物打印的組織結(jié)構(gòu)體應(yīng)提供組織特異性的生物力學(xué)和生物微環(huán)境，以確保打印后的細(xì)胞表型和成熟度。為了獲得理想的結(jié)果，不斷地在可打印性，細(xì)胞活性，對構(gòu)建體物理特性的控制以及組織特定功能的機(jī)械行為之間不斷折衷。

基于水凝膠的生物模式由于結(jié)構(gòu)完整性，機(jī)械穩(wěn)定性和可打印性差，降解快而受到限制。合成聚合物并不能提供適當(dāng)?shù)纳镂h(huán)境，這會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞粘附能力降低，從而導(dǎo)致植入物整合性下降，也會(huì)出現(xiàn)出緩慢的降解和不適當(dāng)?shù)臋C(jī)械剛度。目前，正在引入更先進(jìn)的生物墨水系統(tǒng)來克服這些當(dāng)前的挑戰(zhàn)。對于纖維軟骨組織再生，生物墨水應(yīng)提供適當(dāng)?shù)募?xì)胞微環(huán)境和生物力學(xué)穩(wěn)定性，以支持打印細(xì)胞將組織特異性細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）成分牢固沉積。特別是，生物墨水應(yīng)承受循環(huán)壓縮負(fù)荷半月板修復(fù)。為了滿足所有這些要求，我們通過依次共印載有豬半月板細(xì)胞（pMC）和絲素甲基丙烯酸甲酯（Sil-MA）的載有細(xì)胞的結(jié)冷膠（GG）和纖維蛋白原（FB）復(fù)合生物墨水，開發(fā)了一種新型3D復(fù)合組織構(gòu)建體bioink用于纖維軟骨組織再生。研究者假設(shè)充滿細(xì)胞的GG / FB生物墨水將賦予細(xì)胞活動(dòng)和組織形成所必需的生物微環(huán)境，而Sil-MA生物墨水將提供3D打印過程所需的機(jī)械支持和穩(wěn)定性，以及結(jié)構(gòu)完整性和打印的組織構(gòu)造的機(jī)械性能。

圖1. 墨水設(shè)計(jì)

生物墨水評價(jià)
通過測量流變特性，溶脹率和壓縮機(jī)械性能來表征每種生物墨水配方。為了進(jìn)行體外生物學(xué)評估，分離出豬原發(fā)性半月板細(xì)胞（pMC）并將其懸浮在GG / FB生物墨水中以進(jìn)行打印。結(jié)果表明，GG / FB生物墨水提供了合適的細(xì)胞微環(huán)境，用于維持細(xì)胞活力和增殖能力以及生物打印構(gòu)建物中pMC的成熟。而Sil-MA生物墨水可提供出色的生物力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)完整性。

圖2 GG/FB材料特性

圖3 Sil-MA材料特性

打印復(fù)合結(jié)構(gòu)體的力學(xué)性能
研究者通過打印交錯(cuò)排列的GG/FB墨水和Sil-MA墨水3D復(fù)合結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)打印的結(jié)構(gòu)體的機(jī)械性能與天然組織相似，因此適合于3D生物打印的患者特定植入物的生物制造，以進(jìn)行軟骨/纖維軟骨再生。此外，重要的是要強(qiáng)調(diào) 可以使用不同程度的甲基丙烯酸酯和不同濃度的SF來調(diào)節(jié)目標(biāo)機(jī)械性能。

圖4 3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)體的力學(xué)性能

體內(nèi)評價(jià)
研究者通過將打印交錯(cuò)排列的GG/FB墨水和Sil-MA墨水3D復(fù)合結(jié)構(gòu)植入小鼠皮下，發(fā)現(xiàn)植入后的10周內(nèi)，在小鼠皮下植入模型中顯示了纖維軟骨組織的形成，而沒有尺寸變化。特別地，在生物打印的雜交構(gòu)建體中實(shí)現(xiàn)了膠原纖維的排列。

圖5 體內(nèi)實(shí)驗(yàn)

圖6 組化分析

圖7 膠原纖維定量評價(jià)

總結(jié)
通過對含細(xì)胞的基于FB / GG的生物墨水和基于Sil-MA的生物墨水進(jìn)行生物打印，可以制造出用于纖維軟骨組織再生的生物打印復(fù)合組織結(jié)構(gòu)體。這些新穎的生物墨水配方可提供細(xì)胞友好的生物微環(huán)境以及結(jié)構(gòu)完整性。體內(nèi)研究表明，生物打印的復(fù)合組織構(gòu)建體能夠在植入后10周內(nèi)保持其結(jié)構(gòu)尺寸以及足夠的生物力學(xué)性能，更重要的是，可以通過打印類似于天然彎月面組織的ECM，使組織成熟。此研究開發(fā)的新型生物墨水的多功能性和可調(diào)性表明，該系統(tǒng)可在需要機(jī)械增強(qiáng)組織構(gòu)造的不同組織工程應(yīng)用中使用。

參考文獻(xiàn)

Joao B. Costa. et al. 3D Bioprinted Highly Elastic Hybrid Constructs for Advanced Fibrocartilaginous Tissue Regeneration. Ch