蘭州大學研究團隊在3D打印軟骨方面取得進展

日期: 2020-10-14 閲讀: 來源: 關鍵詞:

支架作為組織工程的核心組成部分,對骨軟骨再生有着至關重要的影響。水凝膠和納米羥基磷灰石,是骨軟骨再生的理想仿生支架來源。然而,即使在3D打印技術的支持下,如何精確地控制其結構使其適合骨軟骨再生仍是一個巨大的挑戰。

蘭州大學口腔醫學院范增傑教授團隊聯合美國康涅狄格大學化學與生物分子工程系Sun Luyi教授團隊通過物理交聯、光交聯和化學交聯三種交聯方法首次設計併成功製備了一種具有三層結構的梯度支架。經體內和體外的一系列測試證實,該支架具有理想的尺寸穩定性、多孔的內部結構、顯著的力學性能、合適的溶脹和降解性能以及最佳的體內修復效果,能夠精確地模仿軟骨、鈣化軟骨和軟骨下骨的結構。該研究為基於高分子聚合物的多孔支架的製備提供了一系列策略,併為骨軟骨再生提供了一種新型的天然生物降解支架。

圖1. 3D打印梯度支架修復大鼠骨軟骨缺損的流程圖。(A)電子噴霧裝置。(a-c)分別為“0% nHA”、“40% nHA”和“70% nHA”墨水。(i)-(iii):骨軟骨區的淺層(軟骨)、中層(鈣化軟骨)和深層(軟骨下骨)。( SA:海藻酸鈉; CA:海藻酸鈣; AM:丙烯酰胺; PAM:聚丙烯酰胺)。

該研究製備的三維支架由軟骨層(純水凝膠)、模擬鈣化軟骨的界面層(40/60%(w w-1)nHA/水凝膠)和模擬軟骨下骨層的70/30%(w w-1)nHA/水凝膠底層組成,具有三層梯度結構,能夠精確地與軟骨、鈣化軟骨和軟骨下骨的生物醫學功能相匹配。具體的製備過程見圖2。該過程可分為三個主要步驟:(1) 三種水凝膠墨水的製備;(2) 3D打印墨水;(3) 先後進行光交聯和Ca2+交聯。最重要的技術創新在於應用電子噴塗裝置來控制Ca2+的緩慢釋放以防止海藻酸鈣的快速形成,這使得70/30%(w w-1)nHA/水凝膠層的打印成為可能。

圖2. (A)-(C) 分別為“0% nHA”、“40% nHA”和“70% nHA”水凝膠支架材料的合成步驟

圖3.各種3D打印支架的照片。(A)從左至右分別為“0% nHA”、“40% nHA”、“70% nHA”(用羅丹明染成紅色)和“G-nHA”。(B)3D打印人工半月板的模型: “0% nHA”(a)、 “40% nHA”(b)、“70% nHA”(c)和“G-nHA凝膠(d);(e&f)分別為浸泡在CaCl2溶液前後的圖片。(C)進行拉伸測試的水凝膠支架:“0% nHA”(a)、“40% nHA”(b)、“70% nHA”(C)和“G-nHA”(d)的俯視圖,以及(e)“G-nHA”支架的側視圖。

通過3D打印後,支架不僅保持了原有的外形特徵(圖3),而且具有多孔結構和較高的機械強度(圖4)。通過掃描電鏡觀察到,支架表面呈現出不同的孔隙結構,孔徑隨着nHA的填充密度的增加而顯著減小;梯度支架的孔徑在100–800 nm範圍內,既能促進細胞的活性,又能促進ECM的分泌,有利於對骨軟骨組織的重建。力學測試表明,梯度支架組拉伸強度為75KPa,壓縮強度達到了900KPa。這些結果表明,這種新的研究方法適合於製造具有精確、複雜和明確外形的天然支架。

圖4. 不同nHA/水凝膠質量比的支架材料的表徵。A) FTIR光譜;B)XRD圖譜;C)SEM圖像;D)和E)不同支架的拉伸和壓縮強度。

體內骨軟骨組織的再生,是預測臨牀可行性應用最重要的證據。研究者將不含有細胞和載有細胞的支架分別植入大鼠體內,在6和12周的時間點分別評估體內骨軟骨再生的可行性(圖5和6)。體內大體觀、微CT掃描及組織學檢查顯示軟骨樣組織穩定再生,未見明顯炎症反應,且載細胞的“G-nHA”組表現出最佳的修復效果:再生的骨軟骨樣組織較成熟,軟骨層具有典型的軟骨陷窩和軟骨沉積。這預示了其在臨牀應用中的潛力。

圖5. 大鼠6周和12周後的骨軟骨再生的大體觀和微CT掃描圖像。(紅色矩形表示缺陷區域;白色箭頭表示未完全降解的支架和骨樣組織的混合物)

圖6. 大鼠骨軟骨再生的染色分析。(A-G)分別為對照組、BMSCs組、“G-nHA”組、“0% nHA+BMSCs”組、“40% nHA+BMSCs”組、“70% nHA+BMSCs”組、“G-NHA+BMSCs”組。(紅色箭頭:正常組織與再生組織的分界;黑色箭頭:降解支架留下的缺損區域)

近日,該研究結果以“3D Printing Hydrogel Scaffolds with Nano-hydroxyapatite Gradient to Effectively Repair Osteochondral Defects in Rats”為題在Advanced Functional Materials 上發表。論文第一完成單位為蘭州大學,蘭州大學口腔醫學院2018級碩士研究生張慧為論文第一作者,范增傑教授為論文第一通訊作者。

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編輯:侯牧晨
責任編輯:許文豔

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