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生物3D打印应用 | 体外半月板模型

Date：2023/7/27 10:35:27

半月板是位于膝关节间隙的一对纤维软骨，可维持膝关节的稳定并分散承重压力，在人体多种运动场景均扮演重要的作用。由于血管分布较少，半月板的再生能力非常有限，在严重的损伤中，目前只能采取半月板的部分或全部切除手术。而长期来看，该治标不治本的方法仍会导致膝关节不稳定、继发软骨损伤等问题。最根本有效的方法，仍然是使用人工半月板进行替代，而生物3D打印就是构建人工半月板结构的有效手段。


 
构建具有各向异性的半月板结构

半月板虽体积不大，其内外组成成分却并不相同。放射状和环状的胶原纤维使得整个半月板具有各向异性和压缩-拉伸非线性。目前，尽管已有许多报道成功打印出半月板结构，但在模拟其各向异性上仍为空白。因此Xavier等人使用regenHU生物3D打印机，成功构建出具有各向异性的半月板结构。



为了引导细胞按照预定形状、方向进行生长，需构建细胞生长支架（Scaffold）。此前，作者已经证明了PCL构建的支架可作为边界，在喷墨打印出细胞后引导新生组织生长的方向。因此，在此次研究中，作者继续深化该方向，通过熔融沉积（FDM）和熔融静电书写（Melt electrowriting，MEW）两种打印方式，使用聚己内酯（Polycaprolactone，PCL）作为原材料分别构建不同纵横比（1:1、1:4、1:16）支架（图1），并维持每个支架微孔面积相等。除了打印出较为规则的单一纵横比支架，作者也尝试打印拼接多种纵横比的支架（图2），使最终细胞增殖形成的组织具有各向异性。

图1 不同纵横比和打印方式获得的支架结构



图2 具有多种纵横比的支架结构

随后，将分散有已知浓度（3×107 cell/mL）骨髓源性间叶干细胞（Bone marrow derived mesenchymal stem cells，bMSCs）的生物墨水（含3% w/v氧化海藻酸盐）通过regenHU电磁阀喷墨打印头按照预先计算的细胞数量准确喷在由PCL构建的每一个支架微孔中（图3），继而加入45 mM CaCl2溶液进行交联。5 min后，置换为增殖培养基（Expansion medium，XPAN）；24 h后，置换为换软骨分化培养基（Chondrogenic differentiation medium，CDM）。最后置于5% pO2环境中，并进行随后的表征、测试。



图3 喷墨打印头电磁阀开启时间与液滴体积、细胞数量之间的关系

在结构强度测试中，作者首先对两种支架打印方式获得的软骨组织进行单轴压缩以测定其基本的机械性能。结果差距明显，使用熔融沉积获得的软骨组织弹性不足（图4），因而在后续的实验中，均为熔融静电书写方式获得的软骨组织。
图4 两种支架打印方式得到的软骨压缩特性对比（绿色为人类半月板压缩模量范围）


在后续测试中，作者发现支架纵横比（图5）对于组织强度具有非常显著的影响。尤其在屈服应力（Yield stress）和拉伸模量（Tensile Modulus）两个指标上，纵横比越大，在长轴上的数值越高，短轴方向上的数值则反而不如小纵横比（图6）。



图5 支架纵横比示意图

图6三种纵横比的拉伸模量、屈服应力和屈服应变




 

小结

作者提供了一种通过改变支架纵横比，进而按需构建软骨力学性能的研究思路，结合熔融静电书写，可更为真实地构建体外组织。




 
参考文献
         [1] X. Barceló, K.F. Eichholz, I.F. Gon?alves et al. Acta Biomaterialia 158 (2023) 216–227.

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