用于软骨再生的3d生物打印结构

用于软骨再生的3d生物打印结构
研究设计和脚手架施工示意图。(A)用于兔关节软骨再生的3D生物打印双因素释放和梯度结构msc负载结构的研究设计示意图。各向异性软骨支架结构示意图及研究设计。(B)采用计算机辅助设计(CAD)模型设计了四层梯度PCL支架结构,为各向异性软骨分化和深层营养供应提供BMS(左)。采用生物打印梯度聚合物支架结构和双蛋白释放复合水凝胶,生物墨水包埋BMSCs,以BMP4或TGFβ3 μS为BCS构建梯度各向异性软骨支架(中)。各向异性软骨结构在动物模型中移植时,为各向异性关节软骨的仿生再生提供了结构支持和骨髓间充质干细胞和分化蛋白的持续释放(右)。图的底部描绘了不同的组件。透明质酸。来源:《科学进展》,doi: 10.1126/sciadv.aay1422

软骨损伤是关节功能障碍的常见原因,现有的关节假体不能与宿主关节组织重建。然而,开发大规模的各向异性仿生构造在结构上模仿原生软骨是具有挑战性的。在一份新的报告中科学的进步孙烨(Ye Sun)和中国骨科、转化研究和聚合物科学领域的科学家团队,利用三维生物打印技术详细介绍了各向异性软骨再生指定发布gradient-structured结构。该团队使用双生长因子释放间充质干细胞(MSC)负载水凝胶进行软骨分化(软骨发育)。三维生物打印的软骨结构具有全层完整性,浅层润滑,深层营养供应。科学家们在实验室和动物模型中测试了软骨组织,以显示组织成熟和组织结构,在充分的实验研究后可以转化为人体。一步,3d打印的双因素释放梯度结构软骨构建物可以辅助MSC和3d生物打印治疗损伤或退行性关节的再生。

实验室里的软骨形成

关节软骨通常形成弹性结缔组织在监狱里。软骨损伤是一种非常常见的损伤,尽管由于组织的低细胞和无血管性质,其自愈能力有限。软骨损伤会使人衰弱,目前在研究实验室中,软骨或关节重建是相当具有挑战性的。在临床实践中,关节炎关节可以用全关节置换术代替使用金属和合成材料假肢。然而,现有的关节假体无法改造(或与宿主组织结合),这可能导致长期的功能障碍,只能通过关节的生物再生来解决。科学家最近开发了间充质干细胞(MSC)移植到刺激定向分化进入软骨细胞是一种新的软骨修复方法。然而,模拟不同层的梯度各向异性结构和信号通路来诱导分区依赖的软骨分化和细胞外基质(ECM)沉积以促进骨软骨再生仍然具有挑战性。在这项工作中,Sun等人开发了一种3d生物打印、双因子释放、梯度结构的msc负载构建物,用于在动物模型中植入并建立全层软骨再生。

用于软骨再生的3d生物打印结构
三维生物打印梯度软骨支架植入。(A) (A)人尺度软骨支架和(b和c)兔尺度软骨支架的大体外观(b, NG, 150 μm间距;c, NG,间距为750 μm)。兔软骨支架的俯视图(d, NG, 150 μm间距;e,间距为750 μm的NG;f,间距为150 ~ 750 μm的梯度支架)位于SEM图像顶部(g,水平切面;h,垂直切面),用于150 μm NG支架,以演示PCL纤维在打印支架中的精确对齐。(B)梯度支架的解构。梯度支架的结构被解构为四层。各层水凝胶- pcl复合结构的微观形貌表明,各层结构相互连通良好,排列有序。 (C and D) Good cell viability is shown respectively for superficial and deep layers after printing with live/dead assay (green, live cells; red, dead cells) (C) under a microscope and (D) under a confocal microscope. DAPI, 4′,6-diamidino-2-phenylindole. (E) Cell spreading in superficial and deep layers with cytoskeleton staining. (F) Immunostaining for cartilage markers in superficial and deep layers. Expression of COL2A1 and PRG4, the lubrication markers, was significantly higher in the superficial layers with small pore size (a and b), while the chondrogenic cells in the deep layers (c and d) mostly presented with hypertrophic phenotype (COL10A1 expression). Photo credit: Ye Sun, First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University. Credit: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aay1422

3d生物打印软骨结构

该团队使用3d生物打印技术开发了不同的关节组织结构,用于关节重建。他们通过包含不同生长因子释放结构的生化刺激(BCS)和小孔径的生物力学刺激(BMS)来模拟原生软骨软骨形成.然后,他们创建了第三个软骨结构,作为双刺激(DS)组,包括两个版本的刺激。对于生长因子,研究小组选择了骨形态发生蛋白(BMP4)和转化生长因子β3(TGFβ3)在软骨结构中再生复杂的不均匀关节组织。Sun等人随后开发了一种水凝胶来传递生长因子并使用保利(lactic-co-glycolic酸)(PLGA)微球作为载体/载体。研究组在BMS(生物力学刺激)组和BCS(生化刺激)组中保持恒定的纤维间距,形成无梯度支架,而在DS(双刺激)组中引入逐渐变化的纤维间距的支架。科学家们还使用了聚(ε-己内酯)(PCL)聚合物,并将其集成到仿生支架结构中。通过这种方式,他们开发了使用4 x 4 x 4 mm支架的兔软骨结构和使用14 x 14 x 14 mm支架的人类软骨结构。

用于软骨再生的3d生物打印结构
使用OPUS系统的3D打印过程显示了水凝胶- pcl图型和梯度微通道的每一层和整个软骨结构。来源:《科学进展》,doi: 10.1126/sciadv.aay1422

在实验室中测试支架和软骨基质形成的影响

以测试生长因子对骨髓基质细胞(骨髓间充质干细胞)的活力和增殖,Sun等在水凝胶中培养了7天。微球首先在实验室中释放了持续的、可控量的生长因子。然后,科学家们在打印的支架上进行了细胞活力和增殖试验,以记录生物打印后60分钟(第0天)、7天和21天骨髓间充质干细胞的存活率。活细胞在第0天显示出细胞活力增加,随后从第3天到第21天持续增长。21天后,Sun等人注意到支架上有良好的三维细胞锚定,该工作表明在实验室中形成了有利于骨髓间充质干细胞生长和分化形成软骨细胞的微环境。

在将3d生物打印支架转化为动物模型之前,Sun等人测试了生长因子的传递是否可以诱导层特异性骨髓间充质干细胞分化为软骨细胞。他们遵循实验方案进行观察aggrecan(一种胶质标记蛋白)和型胶原蛋白形成透明关节软骨细胞样细胞。研究小组随后将软骨支架移植到一个并在体内检测了它们12周的功能。所得到的关节软骨的机械性能增强,显示出有希望的再生,为新形成的软骨组织提供结构支持。12周后,Sun等人进行免疫荧光成像为了显示植入软骨结构与被软骨基质包围的原生关节软骨的相似性。

用于软骨再生的3d生物打印结构
细胞活力和在打印的各向异性支架中的锚定。(A)各向异性软骨支架结构示意图,左图为梯度支架结构的制作,右图为排列的蛋白释放bmscs负载水凝胶的大规模打印。鳞片条,1mm。(B)显微镜下PLGA μ s包封的载bmscs水凝胶的大体外观(上)。打印的细胞负载水凝胶使细胞沿打印路径的纵向排列,形成细胞相互作用的网状网络(底部)。(C)活细胞/死细胞试验表明,4层梯度间距(第4行,150 μm间距;第3行,间距350 μm;第二行,间距550 μm;第一行,间距750 μm)。细胞骨架免疫染色(最右一列)显示细胞在水凝胶和PCL纤维中扩散,遍及四层结构。比例尺,500 μm。 (D and E) Quantified cell viability and proliferation in the printed scaffolds. (F) Cell anchoring in the scaffolds. (a to c) At day 21, good 3D anchoring to the PCL fiber cylinder was observed for the MSC cells released from the hydrogel. (d to f) Similar cell anchoring was observed for PCL fibers in adjacent layers. (b), (c), (e), and (f) are 3D demonstration of cell anchoring in (a) and (d), respectively. Scale bars, 100 μm. Photo credit: Ye Sun, First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University. Credit: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aay1422

软骨植入物对兔膝关节软骨缺损模型修复效果较好

Sun等用兔子实验模型测试膝关节修复时软骨支架的能力。他们使用一步3d生物打印技术构建了支架,以提供结构支持和细胞的持续释放。该实验促进了原生关节软骨的仿生再生,与BMS和BCS组相比,双刺激组(DS)的植入物在24周后在缺损部位表现出更好的整合。研究小组用磁共振成像(MRI) 24周后(6个月内)关节软骨明显愈合。结果显示,与BCS或BMS动物组相比,DS队列的软骨修复和关节管理更好。

用于软骨再生的3d生物打印结构
双因子释放、梯度结构软骨支架对兔膝关节软骨缺损模型的体内修复效果较好。(A) 8周、12周和24周时支架植入过程和修复软骨大体外观。手术膝关节(第五排)MRI显示,DS支架移植关节软骨下水肿和关节面(白色箭头)愈合明显改善。(B到F)通过(B)在体内植入时修复软骨组织的组织学评分评估,比较支架的软骨保护效果。(C)支架植入两组股骨髁(FC)和胫骨平台(TP)关节软骨的Mankin评分和(D) ICRS(国际软骨修复学会)组织学评分。*本族组与其他组比较P < 0.05。BCS组与DS组#P < 0.05。数据以平均值±标准差表示(N = 6)。(A) 24周时新软骨组织的组织形态学分析。PR,苦天狼星红。左下面板是在彩色方框中形成的新软骨轮廓的高分辨率图片。 (a to e) Sections were stained with (a) H&E, (b) Safranin O, (c) TB, and (d) AB staining to indicate the presence of proteoglycans in different groups compared with native cartilage. (e) Picrosirius red was used to stain collagens I and III. The brown irregular area at the interface under the formed neocartilage was undegraded PCL material as supporting structure for the scaffolds. Photo credit: Ye Sun, First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University. Credit: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aay1422

研究小组观察了关节软骨从浅层向深层的转变,并与原生软骨相比测试了生成软骨的特性。与之前一样,ds支架显示了与其他组(BCS和BMS)相比生长改善的内生微血管。通过这种方法,孙晔及其同事生成了结构完整的三维生物打印各向异性结构体,用于关节重建、关节软骨再生和功能性膝关节兔子模型的构建。三维生物打印功能构造在关节置换术或在动物模型中修复受伤或退化的关节。科学家们将进行进一步的实验,以了解动物模型中关节构建的功能支撑。在对临床前动物模型进行进一步实验后,该团队设想通过微创关节镜将3d生物打印结构转化为人体受损或退行性关节。


进一步探索

小冰鞋可能是人类软骨治疗的关键

更多信息:Ye Sun等人,3D生物打印双因素释放和梯度结构构建,准备植入用于各向异性软骨再生,科学的进步(2020).DOI: 10.1126 / sciadv.aay1422

Chang H Lee等。兔滑膜关节表面细胞归巢再生:概念验证研究《柳叶刀》(2010)。DOI: 10.1016 / s0140 - 6736 (10) 60668 - x

April M Craft等。从人类多能干细胞中生成关节软骨细胞,自然生物技术(2015)。DOI: 10.1038 / nbt.3210

本杰明·r·弗里德曼等人。模拟和治愈结缔组织的生物材料,先进材料(2019)。DOI: 10.1002 / adma.201806695

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引用:用于软骨再生的3- d生物打印结构(2020,9月23日)检索于2022年6月3日从//www.puressens.com/news/2020-09-d-bioprinting-cartilage-regeneration.html
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