挤出式生物3D打印GelMA-MSCs支架用于修复软骨损伤

互推小编 2023-05-28

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由急性创伤、慢性劳损、退行性疾病等原因导致的软骨损伤是临床上常见的病症。软骨组织结构复杂，不含血管，致使其自我修复能力有限。目前软骨缺损的主要方法是采用软骨模拟植入物或微骨折手术加速组织修复和再生，但这些方法具有侵袭性，且修复过程大多不可控，伴随较严重的副作用。因此，需要进一步探索新的软骨修复或替代材料。

甲基丙烯酰化明胶（GelMA）作为最常用的水凝胶材料之一，兼具天然和合成生物材料的特征，具有适于细胞生长和分化的三维结构、优异的生物相容性和细胞反应特性，可替代人工基底膜或其他天然胶原蛋白水凝胶。挤出式生物3D打印技术最大的优势在于可打印的生物相容性材料范围广泛（包括细胞团、载细胞水凝胶、微载体、脱细胞基质成分等），涵盖了粘度范围从30 mPa/s 到6×107 mPa/s[1]的生物材料，可对大多数打印墨水良好匹配，形成范围广阔的材料应用领域，已在体外组织构建、组织修复、人工假体等相关领域有所应用。

来自苏州大学的曲静团队通过利用EFL挤出式生物3D打印机（EFL-BP-6601）制备了一种用于软骨修复的负载骨髓间充质干细胞GelMA水凝胶（GelMA-MSCs）支架，通过体内实验证明该支架可以为细胞间和细胞/基质间的相互作用提供良好的微环境和生化线索，从而促进软骨损伤胶原纤维的再生和功能恢复。相关研究“Experimental study on repair of cartilage defects in the rabbits with GelMA-MSCs scaffold prepared by three-dimensional bioprinting”发表于《International Journal of Bioprinting》杂志上。

图1 GelMA-MSCs支架模型的构建

在打印墨水的选择上，该研究选用以甲基丙烯酰化明胶（GelMA）为主墨水成分，GelMA为双键改性明胶，其溶液可在紫外（UV）光照射下可交联固化成凝胶，GelMA分子中含有RGD细胞黏附序列，其形成的三维网络结构具有优异的生物相容性，可以制造载细胞的具有微-纳米多孔的水凝胶支架，可以为细胞生长、增殖、迁移和分化提供合适的3D环境，这对进一步的营养输送和缺损修复至关重要。更大的孔径可以产生更大的空间，有利于细胞生长、增殖和迁移。考虑到支架植入缺损后动物在运动过程中可能会脱落的现象，适当的支架溶胀率可以使其更好地贴合缺损，研究人员最终选用 5wt% GelMA-60 用于全层软骨缺损的修复。

图2 GelMA-MSCs支架材料的生物相容性

由于缺乏诸如细胞调节行为和迁移等因素，GelMA与单独的干细胞组合的进一步应用受到限制。因此，研究人员通过调控因子（microRNA-410）调控了MSCs在微环境中的生物学行为，在体外促进了MSCs的迁移、增殖和成软骨分化（图3，图4）。

图3 microRNA-410在MSCs中的表达

图4 microRNA-410过表达促进兔MSCs的增殖

为进一步探究microRNA-410的作用，研究人员将动物实验分为三组：空白组、GelMA-MSC组、GelMA-microRNA-410-MSC组。对三组实验分别进行定量评价（图5）、微CT扫描（图6）以及组织染色（图7，图8），结果均发现GelMA-microRNA-410-MSC组在三组中修复效果最好，可实现软骨细胞的再生修复，使兔软骨缺损模型对软骨表面及表面缺损的下层组织达到整体修复效果，表明microRNA-410可促进软骨缺损修复，在体内修复软骨缺损方面具有明显优势。