天津大学刘文广教授和中科院阮长顺副研究员: 直接3D打印高强度杂化梯度水凝胶支架用于骨软骨修复
关节软骨损伤患病率较高，损伤后很难实现自修复，而现有的关节软骨修复材料不能完全满足临床需要。水凝胶因其与细胞外基质相似，含水量可调范围宽及优异的润滑性等特点，作为关节软骨修复材料具有潜在的应用前景。但是，现有技术构建的骨软骨再生支架缺少软骨与骨之间的界面结构 ¾ 骨与软骨过渡层，而此界面层起着缓冲应力及维持微环境等重要的生理功能。3D生物打印技术的发展为仿生组织工程支架的构建提供了一种新的技术手段，但是3D打印出的架构能否成功用于组织工程支架主要取决于“墨水”的性能，否则只是一种观赏的“摆件”。
最近，天津大学材料学院刘文广教授领导的研究团队创建了具有热塑性和自修复特性的高强度超分子聚合物水凝胶（Adv Mater 2015, 27: 3566–3571），在此基础上，该团队与中科院深圳先进技术研究院的阮长顺副研究员（共同通讯作者）课题组合作发明了一种可直接3D打印的氢键增强的高强度水凝胶墨水。该墨水是一种基于丙烯酰基甘氨酰胺（PNAGA）共聚物超分子聚合物水凝胶，PNAGA共聚物水凝胶具有比其均聚物水凝胶更低的熔融温度和更好的流动性，可直接3D打印，无需光交联，打印后快速固化成型保持完好的宏观和微观结构。研究人员模拟软骨-骨一体化结构，在凝胶中复合β-磷酸三钙（β-TCP），利用多针头交替打印制备成底层含有β-TCP，顶部含有若干层负载生长因子TGF-β1的梯度支架（图1）。
图1. 熔融3D打印高强度杂化梯度水凝胶支架及其用于骨软骨缺损修复的示意图
该生物杂化梯度水凝胶支架长期浸泡PBS后，仍保持稳定的孔隙结构和良好的机械强度，在高孔隙率下，压缩强度仍然超过1 MPa，循环压缩100次后，未发现强度下降和剥离。实验结果表明，β-TCP不仅提高支架的强度，而且有效地促进细胞的粘附、增殖和向成骨方向分化，赋予支架良好的骨诱导能力，与宿主骨形成牢固的活性键合。含水量较高的支架上层可以改善软骨替代材料的润滑性能，并且可控负载的TGF-β1有效地促进干细胞向软骨细胞分化。体内实验表明该杂化梯度水凝胶支架可以同时促进软骨和软骨下骨再生。
这一工作为高强度水凝胶的生物医学应用做出了有意的探索。该成果近日发表在Adv. Funct. Mater. 2018 DOI: 10.1002/adfm.201706644。论文第一作者为博士生高飞。
论文链接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201706644/full
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