暨南大學：3D打印和靜電紡絲構(gòu)建仿生人工椎間盤支架

來源：永康樂業(yè)

椎間盤（IVD）退變是一種嚴重危害人類健康的臨床疾病。組織工程技術(shù)為修復和再生受損IVD的生理功能提供了一種很有前景的方法。成功的組織工程化IVD支架應模仿原生IVD組織學和宏觀結(jié)構(gòu)。在此，研究者結(jié)合3D打印和靜電紡絲構(gòu)建了人工IVD復合支架。聚丙交酯（PLA）用于打印IVD框架結(jié)構(gòu)，定向多孔聚（l-丙交酯）/八臂多面體低聚倍半硅氧烷（PLLA/POSS-（PLLA）8）纖維束模擬纖維環(huán)（AF），負載骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）的結(jié)冷膠/聚（乙二醇）二丙烯酸酯（GG/PEGDA）雙網(wǎng)絡水凝膠模擬髓核（NP）結(jié)構(gòu)。形態(tài)學和力學性能測試表明IVD支架的結(jié)構(gòu)和力學性能與天然IVD支架相似。該支架的壓縮模量約為10MPa，可與天然IVD相媲美，為組織修復和再生提供了良好的機械支撐。同時，支架的孔隙率和力學性能可以通過3D模型設計進行調(diào)節(jié)。在AF結(jié)構(gòu)中，纖維束呈同心取向，隨后的每一層與脊柱成60°，能夠承受NP變形過程中產(chǎn)生的張力。在NP結(jié)構(gòu)中，BMSCs均勻分布在水凝膠中，能夠保持較高的細胞活力。動物實驗結(jié)果表明，仿生人工IVD支架能夠維持椎間盤間隙并產(chǎn)生新的細胞外基質(zhì)。這種工程化仿生IVD支架是一種很有前途的生物材料，可用于個性化IVD修復和再生。

圖1.通過3D打印和靜電紡絲制備仿生人工IVD支架的過程示意圖。

圖2.PLA框架的模型圖和實物圖。模型I（A）和模型II（B）的總體圖。模型I（C）和模型II（D）的單層細節(jié)圖。根據(jù)模型I（E）和模型II（F）制備的PLA框架的照片。

圖3.在IVD高度指數(shù)計算中各參數(shù)的示意圖。

圖4.3D打印IVD支架的形態(tài)。（A）支架的宏觀側(cè)視圖和（B）宏觀前視圖。（C）NP部分水凝膠的SEM圖像。（D-G）PLLA纖維的SEM圖像。（H-I）AF部分纖維束的SEM圖像。

圖5.（A）不同纖維束的斷裂伸長率和拉伸模量。（B）不同結(jié)構(gòu)人工IVD的壓縮應力-應變曲線和（C）模量。（D）模型II-3/1.2和II-2/1.2人工IVD支架的圓形壓縮曲線。

圖6.SD大鼠人工IVD模型、支架及相關表征結(jié)果。（A）鼠尾椎骨的物理圖片。（B）3D打印鼠尾盤的立體顯微鏡觀察。（C）雙網(wǎng)絡水凝膠中加載細胞的活/死染色結(jié)果。（D）動物實驗中大鼠尾盤的μCT圖像。（E）IVD高度指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果。*表示與椎間盤切除組相比，p值<0.05存在顯著性差異。

圖7.在偏光顯微鏡下觀察術(shù)后1個月和6個月椎間盤切除組、再植入組和生物打印組椎間盤切片的（A-F）H&E染色和（G-L）阿爾新藍染色圖像。

圖8.術(shù)后1個月和6個月椎間盤切除組、再植入組和生物打印組椎間盤切片的（A-B）天狼星紅染色以及（G-L）在偏光顯微鏡下觀察的天狼星紅染色圖像。