暨南大学：3D打印和静电纺丝构建仿生人工椎间盘支架

来源：永康乐业

椎间盘（IVD）退变是一种严重危害人类健康的临床疾病。组织工程技术为修复和再生受损IVD的生理功能提供了一种很有前景的方法。成功的组织工程化IVD支架应模仿原生IVD组织学和宏观结构。在此，研究者结合3D打印和静电纺丝构建了人工IVD复合支架。聚丙交酯（PLA）用于打印IVD框架结构，定向多孔聚（l-丙交酯）/八臂多面体低聚倍半硅氧烷（PLLA/POSS-（PLLA）8）纤维束模拟纤维环（AF），负载骨髓间充质干细胞（BMSCs）的结冷胶/聚（乙二醇）二丙烯酸酯（GG/PEGDA）双网络水凝胶模拟髓核（NP）结构。形态学和力学性能测试表明IVD支架的结构和力学性能与天然IVD支架相似。该支架的压缩模量约为10MPa，可与天然IVD相媲美，为组织修复和再生提供了良好的机械支撑。同时，支架的孔隙率和力学性能可以通过3D模型设计进行调节。在AF结构中，纤维束呈同心取向，随后的每一层与脊柱成60°，能够承受NP变形过程中产生的张力。在NP结构中，BMSCs均匀分布在水凝胶中，能够保持较高的细胞活力。动物实验结果表明，仿生人工IVD支架能够维持椎间盘间隙并产生新的细胞外基质。这种工程化仿生IVD支架是一种很有前途的生物材料，可用于个性化IVD修复和再生。

图1.通过3D打印和静电纺丝制备仿生人工IVD支架的过程示意图。

图2.PLA框架的模型图和实物图。模型I（A）和模型II（B）的总体图。模型I（C）和模型II（D）的单层细节图。根据模型I（E）和模型II（F）制备的PLA框架的照片。

图3.在IVD高度指数计算中各参数的示意图。

图4.3D打印IVD支架的形态。（A）支架的宏观侧视图和（B）宏观前视图。（C）NP部分水凝胶的SEM图像。（D-G）PLLA纤维的SEM图像。（H-I）AF部分纤维束的SEM图像。

图5.（A）不同纤维束的断裂伸长率和拉伸模量。（B）不同结构人工IVD的压缩应力-应变曲线和（C）模量。（D）模型II-3/1.2和II-2/1.2人工IVD支架的圆形压缩曲线。

图6.SD大鼠人工IVD模型、支架及相关表征结果。（A）鼠尾椎骨的物理图片。（B）3D打印鼠尾盘的立体显微镜观察。（C）双网络水凝胶中加载细胞的活/死染色结果。（D）动物实验中大鼠尾盘的μCT图像。（E）IVD高度指数统计结果。*表示与椎间盘切除组相比，p值<0.05存在显著性差异。

图7.在偏光显微镜下观察术后1个月和6个月椎间盘切除组、再植入组和生物打印组椎间盘切片的（A-F）H&E染色和（G-L）阿尔新蓝染色图像。

图8.术后1个月和6个月椎间盘切除组、再植入组和生物打印组椎间盘切片的（A-B）天狼星红染色以及（G-L）在偏光显微镜下观察的天狼星红染色图像。