仿生半月板支架的3D生物打印

来源：EngineeringForLife

半月板是一种楔形的纤维软骨组织，承受着复杂的应力环境，包括轴向应力、环向应力和压缩应力。半月板损伤是临床上常见的运动损伤。目前对于严重的半月板损伤，可以采用切除或异体半月板移植，但由于各种原因难以取得良好的疗效。组织工程的出现为半月板修复提供了很有前景的方法。来自解放军总医院骨科研究所的郭全义团队在Bioactive Materials上发表了题为“3D bioprinting of a biomimetic meniscal scaffold for application in tissue engineering”的文章，通过双挤出头+控温系统，将聚己内酯（PCL）与GelMA-半月板细胞外基质（MECM）混合的生物墨水结合，制备了一种新型的仿生半月板支架（图1）。

图1仿生半月板支架的打印过程

由于MECM颗粒大小对打印性能影响较大，直径小于200μm的颗粒打印性较好，研究人员探究了不同超声破碎时间及胃蛋白酶消化对MECM颗粒大小及Ⅰ型胶原含量的影响（图2）。结果表明90s超声破碎后颗粒大小基本满足打印要求，且对Ⅰ型胶原含量没有明显影响。随后，研究人员将MECM颗粒与GelMA混合后制备了GelMA/MECM生物墨水，检测其生物相容性及诱导半月板纤维软骨细胞（MFCs）表达软骨相关基因及蛋白的能力（图3），并检测了其流变性及打印性能（图4）。

图2 可打印MECM的制备及性质

图3 GelMA/MECM生物墨水的生物相容性及促进软骨相关基因表达的能力

图4 GelMA/MECM生物墨水的流变性和打印性

随后，研究人员测试了双挤出头设备的打印精度，并通过CT扫描羊半月板构建了3D模型，成功打印出了PCL与生物墨水混合的仿生半月板支架模型（图5）。作者将双挤出头设备打印的水凝胶-PCL支架中细胞的活性与单挤出头设备打印的水凝胶支架中细胞的活性进行了比较，结果显示细胞活性几乎没有差异（图6）。同时，作者还比较了水凝胶-PCL支架与PCL支架的力学性能（图7），并通过分析水凝胶中荧光强度来比较支架中水凝胶在皮下的生物降解情
况（图8）。

图5 打印设备的精度及半月板支架的构建

图6 使用单挤出头(水凝胶+MFCs)和双挤出头(PCL+水凝胶+MFCs)打印后的细胞存活率比较

图7 单喷嘴和双喷嘴打印支架的力学性能

图8 水凝胶皮下生物降解的定量荧光分析

最后，研究人员将制备的仿生半月板支架植入膝关节，比较了3个月及6个月时的支架降解情况（图9），在4周和8周时比较了PCL、PCL+水凝胶及PCL+水凝胶+MFCs组的组织再生情况（图10），结果显示PCL组在对软骨组织的形成没有明显促进作用，PCL +水凝胶组纤维排列有序，而PCL +水凝胶+MFCs组新生组织较多，说明支架具备良好的修复作用。

图9 支架的原位生物降解

图10 在裸鼠模型中对支架再生效果的初步评价

综上，作者应用双挤出头+控温系统，充分结合了PCL及GelMA/MECM/MFCs生物墨水的优势，制备了一种新型半月板仿生支架，具有良好的生物相容性、优异的力学性能和生物性能，这些特征与原生的半月板相似，提高了仿生半月板支架在组织工程中的应用水平和效率，为半月板修复提供了新的思路。

论文链接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... 20303170?via%3Dihub