学术分享 | Nature Communications：生物3D打印角膜修复体

来源：上普生物

近期，清华大学深圳国际研究生院弥胜利与孙伟教授课题组在知名学术杂志Nature Communications发表题为Fiber reinforced GelMA hydrogel to induce the regeneration of corneal stroma的文章，利用生物3D打印技术，制备纤维水凝胶复合支架，在角膜基质的诱导再生领域取得重大进展。

眼角膜的损伤与修复
眼角膜作为视觉成像系统中一个至关重要的组织，是眼睛最前面的凸形高度透明物质，可以保护眼内的微结构及组织，并为眼睛提供大部分屈光力。
角膜损伤、感染及一些先天性因素导致其成为全球第二大致盲疾病。同种异体角膜，人工角膜及人的羊膜移植是三类临床上应用最广泛的角膜疾病治疗方法，但是这些方法都会存在一定的问题或缺陷。

因此，利用先进的生物3D打印技术开发出一种治疗性的角膜支架，用于替代受疾病影响的角膜组织或诱导角膜组织自身再生，是至关重要也是迫在眉睫的。目前，角膜组织诱导再生的难点在于角膜基质层，该层组织是角膜的主要组成部分，具有多层正交定向的纳米纤维板层组成的复杂结构，利用传统的生物工程的方法很难真实的模拟基质层的结构。纤维板层之间分布着角膜基质细胞，这种细胞在体外培养及角膜组织损伤时很容易转化为角膜成纤维细胞及肌成纤维细胞，导致角膜出现瘢痕。

因此，如何制备能够模拟天然角膜基质结构的支架，同时保持角膜基质细胞的表型，诱导角膜基质的再生，是一个重大的挑战。

生物3D打印角膜支架
针对这一难题，清华大学弥胜利与孙伟教授课题组提出了使用近场静电纺丝这一生物3D打印技术制备网格状的亚微米纤维支架，后期通过水凝胶技术，制备了纤维水凝胶复合支架，用于模拟正交定向的角膜基质板层结构和板层之间起连接作用的糖蛋白。并提出了一种最优的拓扑结构及化学因子的组合，可以抑制角膜基质细胞的成纤维分化，保持其表型，并最终实现角膜基质的诱导再生。

角膜支架的材料
目前近场静电纺丝技术应用最广泛的材料是PCL，但是由于PCL是疏水材料，不利于细胞的粘附。因此该研究利用PEG作为引发剂，合成了PEG和PCL的共聚物PECL，显著的提高了PCL的亲水性。并首次利用近场静电纺丝技术成功的制备了正交定向的PECL亚微米纤维支架，角膜缘基质干细胞可以在支架表面黏附并沿着纤维方向铺展及生长。

研究通过将MA修饰到明胶大分子链上合成了GelMA，探究出最优的MA修饰度及GelMA浓度可以使封装在GelMA水凝胶内的角膜缘基质干细胞保持高的细胞活性并能铺展开。制备模具并通过灌注的方式制备了纤维水凝胶复合支架。

纤维水凝胶复合支架（图标e）

角膜支架的性能
通过研究不同纤维间距的网格状支架对纤维水凝胶复合支架理化性能的影响，找出了最优的拓扑结构可以使纤维水凝胶在力学性能、透光度和溶胀性方面最接近于天然的角膜组织。

研究将角膜缘基质干细胞接种在2D的细胞培养皿，3D的GelMA水凝胶和最优选的纤维水凝胶复合支架内，并研究角膜缘基质干细胞在含血清及不含血清的培养基中的分化及角膜基质细胞表型的维持。研究表明这种最优选的纤维水凝胶的拓扑结构及无血清培养基可以抑制角膜基质细胞向成纤维细胞分化。

最后研究使用大鼠进行角膜内的板层移植实验，分别进行了有无化学因子的3D的GelMA水凝胶和有无化学因子的最优选的纤维水凝胶支架的移植，对照组为自体角膜移植。术后通过OCT，免疫荧光染色及HE染色进行3个月的研究观察，发现相比于其他的支架，含化学因子的最优选的纤维水凝胶支架的移植可以最好的实现角膜基质的诱导再生。

总结
本文通用生物3D打印技术，制备具有高分子材料和水凝胶材料复合而成的纤维水凝胶复合支架，用于角膜基质的诱导再生。
本论文第一作者为清华-伯克利深圳学院博士生孔彬和清华大学深圳国际研究生院硕士生陈赟及刘睿，论文通讯作者为弥胜利副研究员和孙伟教授。该研究得到了国家重点研发计划No. 2016YFC1100100的支持。

弥胜利与孙伟教授课题组近年来在组织工程及再生医学研究方面取得一系列的学术进展，相关成果分别发表在Sensors and Actuators B: Chemical (2020)、Biofabrication (2018)、Acta Biomaterialia (2018)、Scientific Reports (2016, 2017)等国际杂志上。

参考文献
Kong, Bin, Yun Chen, Rui Liu, Xi Liu, Changyong Liu, Zengwu Shao, Liming Xiong, Xianning Liu, Wei Sun, and Shengli Mi. "Fiber reinforced GelMA hydrogel to induce the regeneration of corneal stroma." Nature communications 11, no. 1 (2020): 1435.