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半月板功能是組織工程研究的熱點。生物3D打印技術也被用于此領域以滿足臨床對復雜軟骨結構的制造需求，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，通過打印結冷膠/纖維蛋白原（GG / FB）復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合構建體。

研究背景
小知識纖維軟骨：纖維軟骨主要見于膝部，顳下頜關節(jié)（TMJ）和椎間盤纖維環(huán)（IVD）的半月板中。半月板是無血管的，導致固有的再生能力差，損傷常導致變性。由于受半月板組織變性影響的患者人數增加，關節(jié)鏡部分半月板切除術（APM）是最常見的骨科手術之一。迄今為止，由于缺乏拉伸和壓縮特性好，可變形性優(yōu)異和匹配復雜彎月面的微結構的獨特生物工程結構，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建物的先進策略。

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

基于水凝膠的生物模式由于結構完整性，機械穩(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的生物微環(huán)境，這會導致細胞粘附能力降低，從而導致植入物整合性下降，也會出現出緩慢的降解和不適當的機械剛度。目前，正在引入更先進的生物墨水系統(tǒng)來克服這些當前的挑戰(zhàn)。對于纖維軟骨組織再生，生物墨水應提供適當的細胞微環(huán)境和生物力學穩(wěn)定性，以支持打印細胞將組織特異性細胞外基質（ECM）成分牢固沉積。特別是，生物墨水應承受循環(huán)壓縮負荷半月板修復。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胞（pMC）和絲素甲基丙烯酸甲酯（Sil-MA）的載有細胞的結冷膠（GG）和纖維蛋白原（FB）復合生物墨水，開發(fā)了一種新型3D復合組織構建體bioink用于纖維軟骨組織再生。研究者假設充滿細胞的GG / FB生物墨水將賦予細胞活動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打印過程所需的機械支持和穩(wěn)定性，以及結構完整性和打印的組織構造的機械性能。

圖1. 墨水設計

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

圖2 GG/FB材料特性

圖3 Sil-MA材料特性

打印復合結構體的力學性能
研究者通過打印交錯排列的GG/FB墨水和Sil-MA墨水3D復合結構，發(fā)現打印的結構體的機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，以進行軟骨/纖維軟骨再生。此外，重要的是要強調 可以使用不同程度的甲基丙烯酸酯和不同濃度的SF來調節(jié)目標機械性能。

圖4 3D打印復合結構體的力學性能

體內評價
研究者通過將打印交錯排列的GG/FB墨水和Sil-MA墨水3D復合結構植入小鼠皮下，發(fā)現植入后的10周內，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建體中實現了膠原纖維的排列。

圖5 體內實驗

圖6 組化分析

圖7 膠原纖維定量評價

總結
通過對含細胞的基于FB / GG的生物墨水和基于Sil-MA的生物墨水進行生物打印，可以制造出用于纖維軟骨組織再生的生物打印復合組織結構體。這些新穎的生物墨水配方可提供細胞友好的生物微環(huán)境以及結構完整性。體內研究表明，生物打印的復合組織構建體能夠在植入后10周內保持其結構尺寸以及足夠的生物力學性能，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性表明，該系統(tǒng)可在需要機械增強組織構造的不同組織工程應用中使用。

參考文獻

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