Advanced Healthcare Materials：區(qū)域分層人工軟骨的生物3D打印

來源： EngineeringForLife

膝關節(jié)軟骨的損傷是常見的運動損傷，容易進一步發(fā)展為骨關節(jié)炎。由于關節(jié)軟骨的自我修復能力有限，其修復具有很高的挑戰(zhàn)性。生物3D打印具有制備組織工程軟骨的能力，可以控制不同區(qū)域的細胞和基質的分布。近期，哈爾濱工業(yè)大學（深圳）吳洋助理教授與美國賓州州立大學Ibrahim Ozbolat教授團隊在Advanced Healthcare Materials雜志上發(fā)表了題為Hybrid Bioprinting of Zonally Stratified Human Articular Cartilage Using Scaffold‐Free TissueStrands as Building Blocks的文章，利用由人脂肪干細胞分化而來的軟骨細胞制備組織束，作為生物打印的墨水。組織束僅由密集排列的細胞及基質組成，不含生物材料，并且具有良好的打印性能與機械穩(wěn)定性，可快速自融合成大尺寸的組織。

首先，人脂肪干細胞團塊被注射到空心的藻酸鈉管中，通過細胞聚集形成組織束，并進行了成軟骨分化。該研究對成軟骨分化的組織束進行了大量表征（圖1）。在注射器注射后的細胞團塊中，細胞成活率達到90%以上，表明注射過程不影響細胞活力。同時，組織束的水分含量達到80％以上，近似人體組織。更重要的是，膠原蛋白在組織束中沿軸向排列，表明組織束制備過程可以引導膠原纖維的定向分布。

圖1 成軟骨分化組織束的表征。（a，b）組織束形成過程中直徑的變化，（c）組織書的含水量，（d）組織束中膠原蛋白的分布，（e）組織束中硫酸鹽粘多糖的分布

其次，文章介紹了區(qū)域分層軟骨的打印過程（圖2）。人工軟骨的下層結構利用吸取式生物打印技術（aspiration-assisted bioprinting）在針陣列上對組織束進行垂直打印實現(xiàn)，上層結構利用擠出式生物打印技術（extrusion-based bioprinting）對組織束進行水平打印實現(xiàn)。兩層組織束在打印后進行自融合形成完整的人工軟骨。

圖2 人工軟骨的分層生物3D打印。（a）利用擠出式生物打印技術打印上層軟骨，（b）利用吸取式生物打印技術打印下層軟骨，（c）上下層軟骨組織的自融合

接著，研究人員對人工軟骨進行了一系列表征。該生物打印軟骨的壓縮模量約為1.1 MPa，與人體關節(jié)軟骨數(shù)值相似。組織切片顯示人工軟骨的上層和下層組織融合良好，組織束在上層沿水平方向排布，在下層沿垂直方向排布。同時，細胞與膠原纖維在下層區(qū)域也體現(xiàn)出了垂直排列，在上層區(qū)域沿水平方向排列，與真實軟骨具有一致的解剖學特征。

圖3 區(qū)域分層人工軟骨的形貌、細胞與膠原纖維的排列情況，以及與人體真實軟骨組織的比較

綜上所述，該工作利用擠出式與吸取式的復合3D打印方式，構建了一種區(qū)域分層人工軟骨，具有與真實軟骨類似的機械性能與解剖學構造，為軟骨組織的修復提供了一個閉環(huán)策略，即利用手術廢物（脂肪組織）的自體干細胞制備具有高度解剖相似性與臨床可用的大尺寸組織替代物，用于同一病人的受損組織修復。


論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202001657