3D打印关节软骨修复关节损伤

作者：焦天，连芩

全世界有数百万人遭受着骨关节炎痛苦的折磨，然而该疾病一直没有有效的治疗方法，在骨关节炎治疗的终末期，主要通过移植关节假体进行治疗，该方法手术失败率比较高，即使手术成功也伴随感染、出血等许多并发症。目前迫切需求制造生物学性能、力学性能接近人体软骨的可移植软骨，改善通过软骨移植治疗关节损伤的成功率和后期的修复效果。

爱尔兰都柏林圣三一学院Andrew等人提出采用多方式复合3D打印的方法制造关节软骨，为骨关节炎的治疗提供了新的思路。课题组采用的打印方法如图1所示，课题组首先根据患者关节软骨损伤情况，确定要切除的损伤区域，个性化的设计关节软骨移植体；接下来使用FDM（熔融沉积成型）的方法制造PCL（聚己内酯）材料软骨支架，该支架包括软骨支架和骨支架两部分，软骨支架和骨支架的内部分别是尺寸大小为0.8mm×0.8mm和1.2mm×1.2mm的微槽，通过加热的方式将骨支架和软骨支架粘合在一起；之后进行细胞的种植，先通过微挤出的方式在骨支架区域的微槽内分别打印普朗尼克和混合骨髓间充质干细胞的GelMA材料，打印完成后采用紫外光固化GelMA材料，在4℃的低温下普朗尼克材料被去除，留下的空隙便于细胞培养过程中细胞与培养液间进行物质交换，最后在另一侧的软骨支架区域的微槽内采用喷墨打印的方式打印骨髓间充质干细胞悬液。

多方式复合打印软骨

课题组对打印的软骨进行了10周的体外培养，通过对打印软骨中细胞的细胞核、硫酸黏多糖和胶原等物质的染色以及显微镜观察分析，发现打印后的骨髓间充质干细胞生长良好，微槽内的细胞通过生长越过了微槽壁与周围微槽内的细胞进行了融合，细胞硫酸黏多糖、胶原等物质的含量均与人体关节软骨中该物质的含量接近，并且测得打印的软骨的应变平衡模量值与人体关节软骨应变平衡模量值相当。课题组设计的PCL软骨支架不仅能提高软骨的力学性能以满足移植需求，而且支架中的微槽结构为其内部细胞的生长提供了有利的生长环境。课题组采用多方式复合3D打印方法制造实现了多种打印方式、多种材料的打印。课题组通过多方式复合3D打印方法制造的关节软骨不仅具有人体的解剖学精度和软骨移植所需的尺寸，而且在生物学性能和力学性能上接近人体的软骨。未来通过充分的动物实验研究后，该技术有望用于关节炎等疾病引发的关节损伤的修复。


参考文献：
Andrew C. Daly, Daniel J. Kelly. Biofabrication of spatially organised tissues by directing the growth of cellular spheroids within 3D printed polymeric microchambers [J]. Biomaterials,2019,197:194-206

供稿人：焦天，连芩

供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室