Advanced Healthcare Materials：区域分层人工软骨的生物3D打印

来源： EngineeringForLife

膝关节软骨的损伤是常见的运动损伤，容易进一步发展为骨关节炎。由于关节软骨的自我修复能力有限，其修复具有很高的挑战性。生物3D打印具有制备组织工程软骨的能力，可以控制不同区域的细胞和基质的分布。近期，哈尔滨工业大学（深圳）吴洋助理教授与美国宾州州立大学Ibrahim Ozbolat教授团队在Advanced Healthcare Materials杂志上发表了题为Hybrid Bioprinting of Zonally Stratified Human Articular Cartilage Using Scaffold‐Free TissueStrands as Building Blocks的文章，利用由人脂肪干细胞分化而来的软骨细胞制备组织束，作为生物打印的墨水。组织束仅由密集排列的细胞及基质组成，不含生物材料，并且具有良好的打印性能与机械稳定性，可快速自融合成大尺寸的组织。

首先，人脂肪干细胞团块被注射到空心的藻酸钠管中，通过细胞聚集形成组织束，并进行了成软骨分化。该研究对成软骨分化的组织束进行了大量表征（图1）。在注射器注射后的细胞团块中，细胞成活率达到90%以上，表明注射过程不影响细胞活力。同时，组织束的水分含量达到80％以上，近似人体组织。更重要的是，胶原蛋白在组织束中沿轴向排列，表明组织束制备过程可以引导胶原纤维的定向分布。

图1 成软骨分化组织束的表征。（a，b）组织束形成过程中直径的变化，（c）组织书的含水量，（d）组织束中胶原蛋白的分布，（e）组织束中硫酸盐粘多糖的分布

其次，文章介绍了区域分层软骨的打印过程（图2）。人工软骨的下层结构利用吸取式生物打印技术（aspiration-assisted bioprinting）在针阵列上对组织束进行垂直打印实现，上层结构利用挤出式生物打印技术（extrusion-based bioprinting）对组织束进行水平打印实现。两层组织束在打印后进行自融合形成完整的人工软骨。

图2 人工软骨的分层生物3D打印。（a）利用挤出式生物打印技术打印上层软骨，（b）利用吸取式生物打印技术打印下层软骨，（c）上下层软骨组织的自融合

接着，研究人员对人工软骨进行了一系列表征。该生物打印软骨的压缩模量约为1.1 MPa，与人体关节软骨数值相似。组织切片显示人工软骨的上层和下层组织融合良好，组织束在上层沿水平方向排布，在下层沿垂直方向排布。同时，细胞与胶原纤维在下层区域也体现出了垂直排列，在上层区域沿水平方向排列，与真实软骨具有一致的解剖学特征。

图3 区域分层人工软骨的形貌、细胞与胶原纤维的排列情况，以及与人体真实软骨组织的比较

综上所述，该工作利用挤出式与吸取式的复合3D打印方式，构建了一种区域分层人工软骨，具有与真实软骨类似的机械性能与解剖学构造，为软骨组织的修复提供了一个闭环策略，即利用手术废物（脂肪组织）的自体干细胞制备具有高度解剖相似性与临床可用的大尺寸组织替代物，用于同一病人的受损组织修复。


论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202001657