3D打印可降解超分子聚合物增強明膠水凝膠支架

來源：高分子科學(xué)前沿

關(guān)節(jié)軟骨缺損以及膝關(guān)節(jié)軟骨下骨變性是一種罕見的臨床問題，它會導(dǎo)致疼痛，膝關(guān)節(jié)功能障礙，加重關(guān)節(jié)炎，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致殘疾。而骨軟骨再生能否成功很大程度上取決于構(gòu)建具有重現(xiàn)生態(tài)位線索能力的支架。水凝膠作為一類能用于軟組織和硬組織再生的生物材料，具有很好的應(yīng)用前景。其中，明膠水凝膠由于其良好的生物相容性、生物降解性、生物活性、來源豐富性而被開發(fā)作為3D打印的生物墨水。但傳統(tǒng)的明膠水凝膠由于差的力學(xué)性能無法作為承重支架使用。

近日，天津大學(xué)劉文廣教授和中科院深圳先進技術(shù)研究院阮長順副研究員團隊報道了一種新型可生物降解的氫鍵強化明膠水凝膠支架并將其用于骨軟骨再生。該梯度水凝膠生物支架由可裂解的聚（N-丙烯?；?2-甘氨酸）（PACG）和甲基丙烯酸化的明膠（GelMA）（PACG-GelMA）構(gòu)成，能夠在骨軟骨修復(fù)的早期階段提供機械支持，并最終隨著新組織的向內(nèi)生長而降解。通過引入氫鍵強化的PACG有助于顯著提高明膠水凝膠的機械強度，拉伸強度高達1.1 MPa，出色的抗壓強度（高達12.4 MPa），高的楊氏模量（高達320 kPa）和高壓縮模量（高達837 kPa）。其中，在模擬關(guān)節(jié)軟骨-軟骨下骨結(jié)構(gòu)中，通過一步精確的熱輔助擠出打印技術(shù)及后期的UV光聚合得到PACG-GelMA-Mn2+上層軟骨層和載有生物活性玻璃的PACG-GelMA底骨層組成的雙層生物梯度水凝膠支架。BG的摻入可以改善hBMSCs的增殖，ALP活性和分化，而Mn2+的引入可以促進hBMSCs的軟骨分化，使得得到的生物混合梯度水凝膠支架在大鼠膝骨軟骨缺損修復(fù)中起到同時加速軟骨和軟骨下骨分化的優(yōu)越性。

圖文速遞

圖1. 用于修復(fù)骨軟骨缺損的生物混合梯度支架的3D打印示意圖。

A）生物墨水A和生物墨水B的混合物，低溫接收器輔助的3D生物打印方法制備生物混合梯度支架；B）通過UV光引發(fā)聚合和PACG-GelMA網(wǎng)絡(luò)主要氫鍵的形成制備穩(wěn)定水凝膠支架；C）在動物實驗中，分別用Mn2+和BG處理生物混合梯度PACG-GelMA水凝膠支架的上層和下層，并用于骨軟骨缺陷治療。

圖2. 力學(xué)性能測試

不同ACG和GelMA初始濃度制備的PACG-GelMA水凝膠A-C）拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；D-F）壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖3. 膠原酶溶液中不同初始濃度的ACG和GelMA制備的PACGX-GelMAY水凝膠在體外的降解行為。

圖4. 不同支架中生長的hBMSCs的軟骨分化和成骨分化的基因分析

A,B）分別培養(yǎng)7天和14天后，軟骨相關(guān)基因的表達（COL II, 蛋白聚糖, SOX-9, and COLI）；C,D）分別培養(yǎng)7天和14天后，成骨相關(guān)基因的表達（ALP, OCN, COL I,and RUNX2）。載入Mn2+的PACG10-GelMA10水凝膠支架和載入BG的PACG35-GelMA7水凝膠支架分別顯著提升了軟骨和成骨的分化（與對照組相比，*p < 0.05, #p< 0.01）。

圖5. 不同組4,8,12周修復(fù)軟骨下骨的微CT分析特征三維重建圖像。

原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201900867

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