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              華南理工曹曉東團(tuán)隊(duì):用于軟骨再生的載干細(xì)胞3D打印絲素蛋白/明膠支架

              科研前沿
              2022
              01/24
              16:14
              分享
              評(píng)論
              來(lái)源: EngineeringForLife

              關(guān)節(jié)軟骨組織一經(jīng)運(yùn)動(dòng)損傷或疾病很難實(shí)現(xiàn)自愈,目前治療軟骨缺損的方法有骨髓刺激、自體骨軟骨移植、基質(zhì)誘導(dǎo)自體軟骨細(xì)胞修復(fù)手術(shù)等,但這些方法仍存在供體不足、纖維軟骨再生等問(wèn)題。因此,如何有效的修復(fù)軟骨損傷仍是一大挑戰(zhàn)。近期,來(lái)自華南理工的曹曉東教授團(tuán)隊(duì)采用擠出式低溫3D打印技術(shù),通過(guò)辣根過(guò)氧化物酶( HRP )介導(dǎo)絲素蛋白( SF )和酪胺改性明膠( GT )交聯(lián),制備了多孔水凝膠支架,并結(jié)合干細(xì)胞聚集體接種實(shí)現(xiàn)促進(jìn)II型膠原高表達(dá),向透明軟骨分化,提升關(guān)節(jié)軟骨再生修復(fù)效果。相關(guān)論文“3D printed silk-gelatin hydrogel scaffold with different porous structure and cell seeding strategy for cartilage regeneration”發(fā)表于雜志Bioactive Materials上。

              首先,研究人員通過(guò)利用3D打印技術(shù)并結(jié)合明膠溫敏性和雙氧水浸泡成膠方式制備了具有連通孔結(jié)構(gòu)的3D打印水凝膠支架(圖 1),且采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡(SEM)評(píng)估了3D打印水凝膠支架表面和橫截面的形態(tài)(圖2)。
              圖1 3D打印水凝膠支架合成示意圖

              圖2 3D打印水凝膠支架表面和橫截面圖

              為分析SF-GT水凝膠的力學(xué)性能,研究人員通過(guò)傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和壓縮實(shí)驗(yàn)證實(shí)了3D打印水凝膠支架具有良好的抗壓縮和抗疲勞特性,可為組織工程軟骨發(fā)揮支撐作用(圖3)。

              圖3 不同3D打印水凝膠支架的FTIR光譜

              隨后,研究人員通過(guò)加入絲素蛋白并引發(fā)其分子構(gòu)象轉(zhuǎn)變提升了水凝膠的力學(xué)性能、延長(zhǎng)了降解時(shí)間,同時(shí)保有較高的孔隙率,各項(xiàng)理化性能測(cè)試均顯示了SF5GT15/醇處理支架最適合作為軟骨組織再生支架材料,并采用活/死染色法驗(yàn)證了SF-GT水凝膠支架具有良好的生物相容性(圖4)。

              圖4 不同水凝膠支架的理化性能測(cè)試

              其次,研究人員開(kāi)發(fā)了具有貫通孔(TH)和錯(cuò)位孔(SH)的兩種支架,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改變支架內(nèi)部纖維絲的空間排列,可成功打印出錯(cuò)位孔支架和貫通孔支架,這兩種支架在孔隙率和力學(xué)性能上沒(méi)有顯著性差異,但錯(cuò)位孔可提高細(xì)胞接種效率(圖5)。
              圖5 水凝膠支架內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電鏡掃描圖

              接著,研究人員對(duì)比了細(xì)胞懸液(CS)和細(xì)胞聚集體(CA)兩種細(xì)胞接種方法,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞聚集體接種可以使細(xì)胞有效地滲透到支架中,獲得細(xì)胞在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的空間分布,從而形成高質(zhì)量的基質(zhì)組織(圖6),并通過(guò)體外成軟骨誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)證明,在相同誘導(dǎo)條件下,以細(xì)胞聚集體接種的方式,有利于維持圓形形態(tài)干細(xì)胞的聚集,促進(jìn)干細(xì)胞表達(dá)并分泌較多的 II 型膠原,有利于干細(xì)胞向透明軟骨分化;而以細(xì)胞懸液接種的方式,干細(xì)胞表達(dá)并分泌更多的 I 型膠原,干細(xì)胞傾向于向纖維軟骨分化(圖7、圖8)。
              圖6 細(xì)胞活/死染色

              圖7 體外培養(yǎng)的CA/SH和CS/SH軟骨形成

              圖8 3D打印水凝膠支架上CS和CA的軟骨分化

              最后,研究人員通過(guò)兔關(guān)節(jié)軟骨缺損模型評(píng)估了負(fù)載干細(xì)胞聚集體的錯(cuò)位孔支架對(duì)軟骨缺損修復(fù)的作用,對(duì)比了12周和16周的修復(fù)情況(圖9)以及多種組織學(xué)染色結(jié)果(圖10),表明了采用細(xì)胞聚集體接種的錯(cuò)位孔支架可有效實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨的再生修復(fù)。

              圖9 體外動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

              圖10 體內(nèi)再生軟骨的組織學(xué)評(píng)估

              綜上所述,本研究通過(guò)將3D打印的SF-GT水凝膠和干細(xì)胞聚集體結(jié)合,開(kāi)發(fā)了一種有效的軟骨組織工程方法,構(gòu)建了理化性能高度仿生的軟骨組織工程支架,還設(shè)計(jì)了體外實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)組織工程軟骨的形成,最后通過(guò)體內(nèi)研究表明,采用細(xì)胞聚集接種法制備的3D打印SF5GT15水凝膠在促進(jìn)軟骨再生修復(fù)方面具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。

              文章來(lái)源:https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.03.013



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