3D打印构建细胞和成分梯度变化的水凝胶及应用

供稿人:姜楠，贺健康

关节内的骨软骨单元由关节软骨和软骨下骨构成。当骨软骨单元受损时，如果没有得到及时治疗，会发展为骨关节炎。在美国，大约有37%的60岁以上老年人罹患骨关节炎，每年的治疗费用高达900亿美元。预防和治疗骨关节炎的重点在于修复软骨缺损。组织工程技术为骨关节炎患者带来了新的希望。它是用带有或不带有细胞的支架结构修复受损软骨。由于自然的骨软骨单元具有梯度变化的结构、成分及机械强度，因此3D打印技术就成为了构建这种梯度单元的可行方案。

近日，来自波兰华沙工业大学材料科学与工程学院的研究者们使用3D打印构建细胞和成分梯度变化的水凝胶来修复软骨缺损。在研究中，研究者制作了可以混合不同打印墨水的点胶针头。该点胶针头的两个入口分别连接用于打印透明软骨和钙化软骨的打印墨水。通过程序控制实现一个入口流量随时间增加，另一个入口流量随时间减少。通过层层堆叠构建了成分随厚度梯度变化的水凝胶结构。（图1）

图1 3D打印水凝胶设备、原理及初步结果 （a-c 点胶针头示意图；d 溶液混合指数图；e 3D打印原理图；f 成分梯度变化的水凝胶结构）
这种构建成分变化水凝胶的方法能否实现细胞打印呢？研究者们首先将骨髓干细胞和关节软骨细胞与透明软骨打印墨水混合，将骨髓干细胞与钙化软骨打印墨水混合。之后将它们使用上述方法构建含有不同细胞的水凝胶。结果证实，打印后的细胞存活率均超过90%。且在培养了三周后，细胞仍然可以保持高存活率（图2）。

图2 3D打印含有不同细胞的水凝胶结构 （a 细胞打印设计示意图；b-d 不同细胞混合死活染色；e 细胞活性定量）
为了验证这种水凝胶支架对骨软骨单元的修复作用，研究者使用将这种水凝胶支架植入大鼠的膝关节。研究发现，植入支架后，膝关节缺损处可以明显观察到软骨再生。组织学染色证实，缺损处出现了高度分化的软骨细胞，证实该水凝胶结构可以促进软骨损伤后的修复（图3）。

图3 3D打印水凝胶体内植入后组织学染色

（a-d 低倍镜和高倍镜下观察软骨细胞分化；e-f 植入水凝胶后胶原沉积及软骨形成）

这种3D打印构建细胞和成分梯度变化的水凝胶的出现为组织工程促进骨软骨单元修复的研究提供了新的思路。相信随着研究的进一步深入，该材料必将应用于临床使更多的骨关节炎患者可以尽早康复。

参考文献：
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，贺健康 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室