供稿人:孟子捷 賀健康 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2020-12-12
關(guān)節(jié)軟骨是一種高彈性的具有高度規(guī)則結(jié)構(gòu)的承力組織。然而，它對(duì)創(chuàng)傷、衰老和疾病造成的損傷僅有非常有限的愈合能力。為制造恢復(fù)受損組織功能的生物替代品，干細(xì)胞通常被植入水凝膠基質(zhì)中，用于復(fù)制軟骨組織細(xì)胞外基質(zhì)的某些特性并支持軟骨形成。但由于水凝膠的力學(xué)性能較差，很難滿足軟骨組織工程的要求。3D打印技術(shù)可以用來制備用于軟骨修復(fù)的孔隙可控的機(jī)械性能穩(wěn)定的可降解支架?；谏鲜鰞煞N方案的優(yōu)勢(shì)，解放軍總醫(yī)院的Xu Yichi 團(tuán)隊(duì)提出將電噴制備的載干細(xì)胞海藻酸-明膠微球與3D打印聚己內(nèi)酯支架相結(jié)合，形成一種具有既具有機(jī)械穩(wěn)定性又具有生物活性的支架。
Xu Yichi等研究人員采用電噴法制備了海藻酸（Alg）-明膠（Gel）微球，并以尺寸、圓度和分布為指標(biāo)優(yōu)化了工藝參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，A型Gel由于粘度較低，和1.5% Alg混合后無法形成獨(dú)立的電噴微球。而B型Gel的濃度為0.5%時(shí)，可以形成圓度較好的Alg-Gel微球。當(dāng)Gel的濃度進(jìn)一步提高時(shí)，微球形狀變得不規(guī)則。3% 的 CaCl2和1% CaCl2的相比能夠形成更加圓的微球，因此后續(xù)的實(shí)驗(yàn)均選擇3% 的 CaCl2作為接受溶液。通過提高電壓、減少流量，能夠?qū)崿F(xiàn)微球尺寸從310μm減小到240μm。作者進(jìn)而將干細(xì)胞懸浮于Alg-Gel溶液中，應(yīng)用優(yōu)化后的參數(shù)制備了歷經(jīng)250μm左右的在細(xì)胞微球（如圖一所示）。
圖1 Alg-Gel微球的光鏡圖像（A）無細(xì)胞（B）負(fù)載hBMSCs；（C）負(fù)載或不負(fù)載細(xì)胞的水凝膠微球的圓度；（D）細(xì)胞對(duì)粒徑大小及分布的影響。
作者通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使3D打印的聚己內(nèi)酯支架具有較密的底層用以防止填充的微球滲漏，實(shí)現(xiàn)了微球在支架內(nèi)部的組裝并進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)14天的體外培養(yǎng)。在第0天所有細(xì)胞都表現(xiàn)出相似的細(xì)胞活性（圖二）。而隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，Alg微球中的細(xì)胞死亡明顯增加。Gel的加入提高了細(xì)胞的活性，而種植在支架內(nèi)部的微球中的細(xì)胞表現(xiàn)出更高的活性。
圖2 培養(yǎng)在培養(yǎng)皿、支架中的微球內(nèi)的細(xì)胞活性表征
電噴制備的Alg-Gel水凝膠微球具有優(yōu)良的生物相容性并促進(jìn)了干細(xì)胞的增殖。Alg-Gel的材料組分能夠維持hBMSCs的高活性，并且支持細(xì)胞在體外的軟骨分化。載細(xì)胞的微球能夠種植組裝載3D打印的PCL支架中并置于3D生物反應(yīng)器培養(yǎng)，生化指標(biāo)與基因表達(dá)的結(jié)果顯示hBMSCs具備軟骨的基因表型。