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，如果沒有得到及時治療，會發(fā)展為骨關(guān)節(jié)炎。在美國，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。通過程序控制實(shí)現(xiàn)一個入口流量隨時間增加，另一個入口流量隨時間減少。通過層層堆疊構(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)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室