多尺度3D打印增强水凝胶——陶瓷支架

来源：EngineeringForLife  

在肌肉骨骼肌组织中，坚硬的矿化物质和软组织自然的结合，例如软骨与骨骼的连接处。通过生物活性分子在关节面和软骨下骨之间扩散，这种连接处在细胞间通讯起着关键作用。这样的过滤功能和机械载荷的传递，有助于维持体内平衡，实现关节功能。在老龄化人口中，关节软骨的创伤和退化可能会导致关节炎，这种疾病会破坏软骨下骨，软骨以及连接处。目前，主要利用水凝胶进行软骨修复。然而，较软的水凝胶很难与坚硬的材料结合作为再生支架或矿化组织的假体替代。因此，不同的机械性能的材料集成制造是一个重大挑战。

近期，荷兰乌得勒支大学兽医学院临床科学系的PaweenaDiloksumpan团队，在Biofabrication杂志上发表的“Combiningmulti-scale 3D printing technologies to engineer reinforced hydrogel-ceramic interfaces”文章，结合近场直写和挤出打印技术，集成了水凝胶、陶瓷和聚合物材料。将基于模仿骨骼肌矿物相磷酸钙（CaP）研发的生物陶瓷墨水采用挤出打印制造成软骨下骨替代物，然后采用近场直写制备聚合物网格固定在陶瓷墨水中，并嵌入载细胞的GelMA作为软骨成分。研究了几种微纤维结构作为交联剂来增强水凝胶-陶瓷界面的粘结，增强水凝胶的抗压性能。

首先采用MEW制造直径为8mm的圆柱支架。然后将C-PCaP直接打印在MEW的纤维网格上，形成直径为6.3mm的生物陶瓷支架，前两层没有设计宏观的孔隙来模拟软骨下骨板，最后一层打印了一个700μm的丝间距，形成了一个模拟骨头的锚。将陶瓷支架放置在37℃的环境中，MEW支架放置在10%w/v的GelMA溶液中，加入25mM的APS/TEMED使水凝胶发生化学交联，完成了人造骨的湿润。最后将整个结构取出放置在25mM的APS/TEMED中并补充PBS，在37℃的环境下放置1h，保证C-PCaP和GelMA中的C-泊洛沙姆完成交联。

图1 软骨支架的制造过程

研究者设计一种生物墨水，可以制造出高分辨率支架，并且能够与不稳定的聚合物和生物化合物产生化学反应。α-TPC是主要材料，并评估了两种PCaP的配方：一种含有非交联的聚甲醛组分(NC-PCaP)，另一种含有改性的交联聚甲醛组分(C-PCaP)。两种生物墨水的配方中固体颗粒与液体的配方都可以保证在挤出后维持形状，可以在不需要支撑的情况下承受多层结构。

图2 流变学和打印参数的优化

作为骨的替代者，打印结构的机械性能是至关重要的，分别将NC-PCaP和C-PCaP进行了硬化和硬化交联，得到不同的孔隙度的材料。进行无侧限压缩测试，从应力-应变曲线计算其切线模量、极限强度和破坏能量。其中所有的配方和孔隙设计都表现出松质骨范围内的抗压性能，NC-PCaP和C-PCaP两种材料的切线模量、极限强度和对失效的能量值均随着孔隙率的增加而逐渐降低，与预期的一致。但是NC-PCaP和C-PCaP打印支架的压缩模量没有明显的差异。本研究选择的高比率(70% w/w的颗粒含量)的材料，在可以维持打印形状的保真度的同时，还可能会阻碍密集交联聚合物网络的形成，阻碍可能来自水凝胶共价交联组成陶瓷的断裂韧性的增加。然而，考虑到整体的抗压性能和较高的打印分辨率，本研究的其余部分使用了C-PCaP。

图3 机械性能

将MSCs细胞种植在支架上来评估细胞相容性和成骨性能，将MSCs直接种植在C-PCaP上可以明显增殖。培养第7天时（图4B），在培养基中检测到较高的碱性磷酸酶的值和特征峰；培养到14天时，支架上可观察到细胞呈现拉长形态（图4C），在成骨培养基中检测到骨的钙化素增加（图4D）；培养到21天后，可以观察到支架的细胞出现成骨分化。验证了以PCaP为主要成分的支架具有成骨再生的潜力。

图4 PCaP支架的体外生物相容性评价

图5所示，C-PCaP墨水不会改变PCL网格支架的结构，当水凝胶嵌入PCL网格后，原有的PCL支架的结构和排列的纤维可以提高抗压缩性能。因此C-PCaP可以与PCL网孔形成相互渗透的结构，并且不改变原有的纤维结构，对沉积陶瓷材料的细丝的形状不会产生明显的影响。

图5 MEW纤维支架的微观结构及打印参数

为了进一步研究跨尺度支架可以在体外形成软骨基质的潜力，将入股增强网格支架注入含有ACPC细胞的GelMA,培养6周，与不含C-PCaP的进行了测试对比，评估在骨支撑材料存在的情况下获得新软骨的可能性。经过6周的培养，ACPCs在微纤维增强的GelMA内仍能存活，两种结构中均能观察到软骨样细胞外基质的沉积(图6C)。此外，新合成的基质也会影响细胞负载移植物的骨-软骨界面的连接强度（图6D），韧性也表现出类似的趋势（图6E）。在软骨结构和骨-软骨结构中分别检测到II型胶原的产生。通过组织学分析检测I型胶原沉积。这些结果验证了ACPC向软骨的分化不受磷酸钙支架的阻碍，该支架可用于骨-软骨修复技术的检测。

图6 人工骨软骨塞中软骨的体外沉积

结论：本研究中，将水凝胶与成骨材料结合，采用挤出打印和近场直写技术的跨尺寸打印工艺，每个模块的力学性能都可以通过纤维网格和打印多孔的陶瓷材料的内部结构控制。该方法主要依赖于低强度的直写支架，提供可与天然软骨相媲美的水凝胶增强和压缩性能。由于PCaP墨水的打印和放置所用的生理温度和环境条件具有兼容性，可以在胶合材料中直接固定直写的PCL结构。所用的材料和复合结构不会影响细胞的存活，可以在体外进行骨和软骨工程。该方法在结缔组织再生医学中设计多应用的界面和复合材料具有广泛的应用前景。

论文链接：
https://dor.org/10.1088/1758-5090/ab69d9