蘇州大學的曲靜團隊：擠出式生物3D打印GelMA-MSCs支架用于修復軟骨損傷

由急性創(chuàng)傷、慢性勞損、退行性疾病等原因?qū)е碌能浌菗p傷是臨床上常見的病癥。軟骨組織結(jié)構復雜，不含血管，致使其自我修復能力有限。目前治療軟骨缺損的主要方法是采用軟骨模擬植入物或微骨折手術加速組織修復和再生，但這些方法具有侵襲性，且修復過程大多不可控，伴隨較嚴重的副作用。因此，需要進一步探索新的軟骨修復或替代材料。

甲基丙烯酰化明膠（GelMA）作為最常用的水凝膠材料之一，兼具天然和合成生物材料的特征，具有適于細胞生長和分化的三維結(jié)構、優(yōu)異的生物相容性和細胞反應特性，可替代人工基底膜或其他天然膠原蛋白水凝膠。擠出式生物3D打印技術最大的優(yōu)勢在于可打印的生物相容性材料范圍廣泛（包括細胞團、載細胞水凝膠、微載體、脫細胞基質(zhì)成分等），涵蓋了粘度范圍從30 mPa/s 到6×107 mPa/s[1]的生物材料，可對大多數(shù)打印墨水良好匹配，形成范圍廣闊的材料應用領域，已在體外組織構建、組織修復、人工假體等相關領域有所應用。

來自蘇州大學的曲靜團隊通過利用EFL擠出式生物3D打印機（EFL-BP-6601）制備了一種用于軟骨修復的負載骨髓間充質(zhì)干細胞GelMA水凝膠（GelMA-MSCs）支架，通過體內(nèi)實驗證明該支架可以為細胞間和細胞/基質(zhì)間的相互作用提供良好的微環(huán)境和生化線索，從而促進軟骨損傷膠原纖維的再生和功能恢復。相關研究“Experimental study on repair of cartilage defects in the rabbits with GelMA-MSCs scaffold prepared by three-dimensional bioprinting”發(fā)表于《International Journal of Bioprinting》雜志上。

圖1 GelMA-MSCs支架模型的構建

在打印墨水的選擇上，該研究選用以甲基丙烯酰化明膠（GelMA）為主墨水成分，GelMA為雙鍵改性明膠，其溶液可在紫外（UV）光照射下可交聯(lián)固化成凝膠，GelMA分子中含有RGD細胞黏附序列，其形成的三維網(wǎng)絡結(jié)構具有優(yōu)異的生物相容性，可以制造載細胞的具有微-納米多孔的水凝膠支架，可以為細胞生長、增殖、遷移和分化提供合適的3D環(huán)境，這對進一步的營養(yǎng)輸送和缺損修復至關重要。更大的孔徑可以產(chǎn)生更大的空間，有利于細胞生長、增殖和遷移�？紤]到支架植入缺損后動物在運動過程中可能會脫落的現(xiàn)象，適當?shù)闹Ъ苋苊浡士梢允蛊涓�好地貼合缺損，研究人員最終選用 5wt% GelMA-60 用于全層軟骨缺損的修復。

圖2 GelMA-MSCs支架材料的生物相容性

由于缺乏諸如細胞調(diào)節(jié)行為和遷移等因素，GelMA與單獨的干細胞組合的進一步應用受到限制。因此，研究人員通過調(diào)控因子（microRNA-410）調(diào)控了MSCs在微環(huán)境中的生物學行為，在體外促進了MSCs的遷移、增殖和成軟骨分化（圖3，圖4）。

圖3 microRNA-410在MSCs中的表達

圖4 microRNA-410過表達促進兔MSCs的增殖

為進一步探究microRNA-410的作用，研究人員將動物實驗分為三組：空白組、GelMA-MSC組、GelMA-microRNA-410-MSC組。對三組實驗分別進行定量評價（圖5）、微CT掃描（圖6）以及組織染色（圖7，圖8），結(jié)果均發(fā)現(xiàn)GelMA-microRNA-410-MSC組在三組中修復效果最好，可實現(xiàn)軟骨細胞的再生修復，使兔軟骨缺損模型對軟骨表面及表面缺損的下層組織達到整體修復效果，表明microRNA-410可促進軟骨缺損修復，在體內(nèi)修復軟骨缺損方面具有明顯優(yōu)勢。

圖5 GelMA-MSCs支架對表面缺損修復的定量評價

圖6 顯微CT掃描和定量分析

圖7 HE、Masson三色和S-OS FS染色分析

圖8 Col II和BMP 2染色分析

綜上，本研究開發(fā)了一種擠出式生物3D打印策略來制造軟骨修復支架，該支架可模仿軟骨表面和淺表軟骨下組織，以提供適合修復的微環(huán)境，在軟骨修復方面的具有潛在的應用價值。

文章來源：
http://dx.doi.org/10.18063/ijb.v9i2.662