3D打印關節(jié)軟骨修復關節(jié)損傷

作者：焦天，連芩

全世界有數百萬人遭受著骨關節(jié)炎痛苦的折磨，然而該疾病一直沒有有效的治療方法，在骨關節(jié)炎治療的終末期，主要通過移植關節(jié)假體進行治療，該方法手術失敗率比較高，即使手術成功也伴隨感染、出血等許多并發(fā)癥。目前迫切需求制造生物學性能、力學性能接近人體軟骨的可移植軟骨，改善通過軟骨移植治療關節(jié)損傷的成功率和后期的修復效果。

愛爾蘭都柏林圣三一學院Andrew等人提出采用多方式復合3D打印的方法制造關節(jié)軟骨，為骨關節(jié)炎的治療提供了新的思路。課題組采用的打印方法如圖1所示，課題組首先根據患者關節(jié)軟骨損傷情況，確定要切除的損傷區(qū)域，個性化的設計關節(jié)軟骨移植體；接下來使用FDM（熔融沉積成型）的方法制造PCL（聚己內酯）材料軟骨支架，該支架包括軟骨支架和骨支架兩部分，軟骨支架和骨支架的內部分別是尺寸大小為0.8mm×0.8mm和1.2mm×1.2mm的微槽，通過加熱的方式將骨支架和軟骨支架粘合在一起；之后進行細胞的種植，先通過微擠出的方式在骨支架區(qū)域的微槽內分別打印普朗尼克和混合骨髓間充質干細胞的GelMA材料，打印完成后采用紫外光固化GelMA材料，在4℃的低溫下普朗尼克材料被去除，留下的空隙便于細胞培養(yǎng)過程中細胞與培養(yǎng)液間進行物質交換，最后在另一側的軟骨支架區(qū)域的微槽內采用噴墨打印的方式打印骨髓間充質干細胞懸液。

多方式復合打印軟骨

課題組對打印的軟骨進行了10周的體外培養(yǎng)，通過對打印軟骨中細胞的細胞核、硫酸黏多糖和膠原等物質的染色以及顯微鏡觀察分析，發(fā)現(xiàn)打印后的骨髓間充質干細胞生長良好，微槽內的細胞通過生長越過了微槽壁與周圍微槽內的細胞進行了融合，細胞硫酸黏多糖、膠原等物質的含量均與人體關節(jié)軟骨中該物質的含量接近，并且測得打印的軟骨的應變平衡模量值與人體關節(jié)軟骨應變平衡模量值相當。課題組設計的PCL軟骨支架不僅能提高軟骨的力學性能以滿足移植需求，而且支架中的微槽結構為其內部細胞的生長提供了有利的生長環(huán)境。課題組采用多方式復合3D打印方法制造實現(xiàn)了多種打印方式、多種材料的打印。課題組通過多方式復合3D打印方法制造的關節(jié)軟骨不僅具有人體的解剖學精度和軟骨移植所需的尺寸，而且在生物學性能和力學性能上接近人體的軟骨。未來通過充分的動物實驗研究后，該技術有望用于關節(jié)炎等疾病引發(fā)的關節(jié)損傷的修復。


參考文獻：
Andrew C. Daly, Daniel J. Kelly. Biofabrication of spatially organised tissues by directing the growth of cellular spheroids within 3D printed polymeric microchambers [J]. Biomaterials,2019,197:194-206

供稿人：焦天，連芩

供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室