供稿人：謝璇璇 高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)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：2022-10-21
半月板病變?cè)谂R床醫(yī)學(xué)中很常見(jiàn)，且由于半月板血管少，愈合能力欠佳，治療方案以切除病變部位為主。在美國(guó)和歐洲，每年有超過(guò)150萬(wàn)人因半月板病變接受部分或全部半月板切除術(shù)。然而，失去半月板后，關(guān)節(jié)軟骨受到高接觸應(yīng)力，可能導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)炎和相關(guān)疾病的發(fā)展。因此，半月板組織工程成為治療半月板損傷的潛在替代方案。
為解決這一難題，韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了基于脫細(xì)胞半月板基質(zhì)（me-dECM）生物墨水，并聯(lián)合使用聚氨酯-聚己內(nèi)酯聚合物（PU-PCL）進(jìn)行3D復(fù)合打印，獲得具有高可控性和長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的人工半月板，其制造方案如圖1 所示。完整的制造流程為：（1）通過(guò)磁共振成像掃描成年雄性新西蘭白兔內(nèi)側(cè)半月板的解剖形狀，并使用CAD進(jìn)行重建以獲得半月板結(jié)構(gòu)。（2）根據(jù)所獲得的模型，設(shè)計(jì)與新西蘭白兔半月板外形相同、壓縮模量和強(qiáng)度相當(dāng)?shù)亩嗫譖U-PCL支架。（3）制備me-dECM生物墨水（4）通過(guò)多噴頭系統(tǒng)，多孔PU-PCL支架打印與載hBMMSC細(xì)胞的生物墨水逐層沉積到多孔PU-PCL支架內(nèi)交替進(jìn)行，以克服me-dECM生物墨水的機(jī)械穩(wěn)定性低的問(wèn)題。最后，細(xì)胞打印的人工半月板在37°C下孵育30分鐘可完全交聯(lián)成型。
(a) 基于脫細(xì)胞半月板基質(zhì)生物墨水的制造 (b) 半月板結(jié)構(gòu)的3D復(fù)合打印
圖1 半月板結(jié)構(gòu)制造方案
使用去細(xì)胞化半月板細(xì)胞外基質(zhì)（me-dECM）生物墨水與3D細(xì)胞打印技術(shù)的綜合策略可以提供合適的纖維軟骨微環(huán)境，與天然半月板具有最高的相似性，不僅具有良好的生物相容性和低免疫原性，而且能夠促進(jìn)hBMMSC細(xì)胞生長(zhǎng)并向纖維軟骨分化。此外，通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于植入后宿主細(xì)胞浸潤(rùn)和組織向內(nèi)生長(zhǎng)，人工半月板的拉伸性能（最大破壞負(fù)荷，彈性和極限強(qiáng)度以及韌性）逐漸增加，即具備人工半月板承受拉伸應(yīng)力，維持結(jié)構(gòu)完整能力。
總的來(lái)說(shuō)，本研究所提的3D細(xì)胞打印技術(shù)和me-dECM生物墨水有助于在半月板再生的形狀和微環(huán)境方面復(fù)現(xiàn)半月板組織特異性。