仿生半月板支架的3D生物打印

來源：EngineeringForLife

半月板是一種楔形的纖維軟骨組織，承受著復雜的應力環(huán)境，包括軸向應力、環(huán)向應力和壓縮應力。半月板損傷是臨床上常見的運動損傷。目前對于嚴重的半月板損傷，可以采用切除或異體半月板移植，但由于各種原因難以取得良好的療效。組織工程的出現(xiàn)為半月板修復提供了很有前景的方法。來自解放軍總醫(yī)院骨科研究所的郭全義團隊在Bioactive Materials上發(fā)表了題為“3D bioprinting of a biomimetic meniscal scaffold for application in tissue engineering”的文章，通過雙擠出頭+控溫系統(tǒng)，將聚己內酯（PCL）與GelMA-半月板細胞外基質（MECM）混合的生物墨水結合，制備了一種新型的仿生半月板支架（圖1）。

圖1仿生半月板支架的打印過程

由于MECM顆粒大小對打印性能影響較大，直徑小于200μm的顆粒打印性較好，研究人員探究了不同超聲破碎時間及胃蛋白酶消化對MECM顆粒大小及Ⅰ型膠原含量的影響（圖2）。結果表明90s超聲破碎后顆粒大小基本滿足打印要求，且對Ⅰ型膠原含量沒有明顯影響。隨后，研究人員將MECM顆粒與GelMA混合后制備了GelMA/MECM生物墨水，檢測其生物相容性及誘導半月板纖維軟骨細胞（MFCs）表達軟骨相關基因及蛋白的能力（圖3），并檢測了其流變性及打印性能（圖4）。

圖2 可打印MECM的制備及性質

圖3 GelMA/MECM生物墨水的生物相容性及促進軟骨相關基因表達的能力

圖4 GelMA/MECM生物墨水的流變性和打印性

隨后，研究人員測試了雙擠出頭設備的打印精度，并通過CT掃描羊半月板構建了3D模型，成功打印出了PCL與生物墨水混合的仿生半月板支架模型（圖5）。作者將雙擠出頭設備打印的水凝膠-PCL支架中細胞的活性與單擠出頭設備打印的水凝膠支架中細胞的活性進行了比較，結果顯示細胞活性幾乎沒有差異（圖6）。同時，作者還比較了水凝膠-PCL支架與PCL支架的力學性能（圖7），并通過分析水凝膠中熒光強度來比較支架中水凝膠在皮下的生物降解情
況（圖8）。

圖5 打印設備的精度及半月板支架的構建

圖6 使用單擠出頭(水凝膠+MFCs)和雙擠出頭(PCL+水凝膠+MFCs)打印后的細胞存活率比較

圖7 單噴嘴和雙噴嘴打印支架的力學性能

圖8 水凝膠皮下生物降解的定量熒光分析

最后，研究人員將制備的仿生半月板支架植入膝關節(jié)，比較了3個月及6個月時的支架降解情況（圖9），在4周和8周時比較了PCL、PCL+水凝膠及PCL+水凝膠+MFCs組的組織再生情況（圖10），結果顯示PCL組在對軟骨組織的形成沒有明顯促進作用，PCL +水凝膠組纖維排列有序，而PCL +水凝膠+MFCs組新生組織較多，說明支架具備良好的修復作用。

圖9 支架的原位生物降解

圖10 在裸鼠模型中對支架再生效果的初步評價

綜上，作者應用雙擠出頭+控溫系統(tǒng)，充分結合了PCL及GelMA/MECM/MFCs生物墨水的優(yōu)勢，制備了一種新型半月板仿生支架，具有良好的生物相容性、優(yōu)異的力學性能和生物性能，這些特征與原生的半月板相似，提高了仿生半月板支架在組織工程中的應用水平和效率，為半月板修復提供了新的思路。

論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... 20303170?via%3Dihub