3D打印構(gòu)建細(xì)胞和成分梯度變化的水凝膠及應(yīng)用

供稿人:姜楠，賀健康

關(guān)節(jié)內(nèi)的骨軟骨單元由關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨構(gòu)成,。當(dāng)骨軟骨單元受損時(shí),，如果沒(méi)有得到及時(shí)治療，會(huì)發(fā)展為骨關(guān)節(jié)炎,。在美國(guó),，大約有37%的60歲以上老年人罹患骨關(guān)節(jié)炎，每年的治療費(fèi)用高達(dá)900億美元,。預(yù)防和治療骨關(guān)節(jié)炎的重點(diǎn)在于修復(fù)軟骨缺損,。組織工程技術(shù)為骨關(guān)節(jié)炎患者帶來(lái)了新的希望。它是用帶有或不帶有細(xì)胞的支架結(jié)構(gòu)修復(fù)受損軟骨,。由于自然的骨軟骨單元具有梯度變化的結(jié)構(gòu),、成分及機(jī)械強(qiáng)度，因此3D打印技術(shù)就成為了構(gòu)建這種梯度單元的可行方案,。

近日,，來(lái)自波蘭華沙工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的研究者們使用3D打印構(gòu)建細(xì)胞和成分梯度變化的水凝膠來(lái)修復(fù)軟骨缺損。在研究中,，研究者制作了可以混合不同打印墨水的點(diǎn)膠針頭,。該點(diǎn)膠針頭的兩個(gè)入口分別連接用于打印透明軟骨和鈣化軟骨的打印墨水。通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)一個(gè)入口流量隨時(shí)間增加,，另一個(gè)入口流量隨時(shí)間減少,。通過(guò)層層堆疊構(gòu)建了成分隨厚度梯度變化的水凝膠結(jié)構(gòu)。（圖1）

圖1 3D打印水凝膠設(shè)備,、原理及初步結(jié)果 （a-c 點(diǎn)膠針頭示意圖,；d 溶液混合指數(shù)圖；e 3D打印原理圖,；f 成分梯度變化的水凝膠結(jié)構(gòu)）
這種構(gòu)建成分變化水凝膠的方法能否實(shí)現(xiàn)細(xì)胞打印呢,？研究者們首先將骨髓干細(xì)胞和關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞與透明軟骨打印墨水混合，將骨髓干細(xì)胞與鈣化軟骨打印墨水混合,。之后將它們使用上述方法構(gòu)建含有不同細(xì)胞的水凝膠,。結(jié)果證實(shí)，打印后的細(xì)胞存活率均超過(guò)90%,。且在培養(yǎng)了三周后,，細(xì)胞仍然可以保持高存活率（圖2）,。

圖2 3D打印含有不同細(xì)胞的水凝膠結(jié)構(gòu) （a 細(xì)胞打印設(shè)計(jì)示意圖；b-d 不同細(xì)胞混合死活染色,；e 細(xì)胞活性定量）
為了驗(yàn)證這種水凝膠支架對(duì)骨軟骨單元的修復(fù)作用,，研究者使用將這種水凝膠支架植入大鼠的膝關(guān)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn),，植入支架后,，膝關(guān)節(jié)缺損處可以明顯觀察到軟骨再生。組織學(xué)染色證實(shí),，缺損處出現(xiàn)了高度分化的軟骨細(xì)胞，證實(shí)該水凝膠結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)軟骨損傷后的修復(fù)（圖3）,。

圖3 3D打印水凝膠體內(nèi)植入后組織學(xué)染色

（a-d 低倍鏡和高倍鏡下觀察軟骨細(xì)胞分化,；e-f 植入水凝膠后膠原沉積及軟骨形成）

這種3D打印構(gòu)建細(xì)胞和成分梯度變化的水凝膠的出現(xiàn)為組織工程促進(jìn)骨軟骨單元修復(fù)的研究提供了新的思路。相信隨著研究的進(jìn)一步深入,，該材料必將應(yīng)用于臨床使更多的骨關(guān)節(jié)炎患者可以盡早康復(fù),。

參考文獻(xiàn)：
Idaszek, J., M. Costantini, T.A. Karlsen, J. Jaroszewicz, C. Colosi, S. Testa, E. Fornetti, S. Bernardini, M. Seta, K. Kasarello, R. Wrzesien, S. Cannata, A. Barbetta, C. Gargioli, J.E. Brinchman, and W. Swieszkowski, 3D bioprinting of hydrogel constructs with cell and material gradients for the regeneration of full-thickness chondral defect using a microfluidic printing head. Biofabrication, 2019. 11(4): p. 044101.

供稿人:姜楠，賀健康 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室