哈尔滨工业大学（深圳）吴洋助理教授课题组《AHM》：生物3D打印区域分层人工软骨

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膝关节软骨的损伤是常见的运动损伤，容易进一步发展为骨关节炎。由于关节软骨的自我修复能力有限，其修复具有很高的挑战性。当前临床治疗方法包括微骨折、 自体或同种异体骨软骨移植等，这些技术存在明显的缺陷。关节软骨的结构和物质组成沿软骨轴变化，具有区域分层的特征，具体体现在每个区域的基质排列与机械性能的差异。生物3D打印具有制备组织工程软骨的能力，可以控制不同区域的细胞和基质的分布。当前，基于支架（scaffold-based）的软骨组织再生与修复已有深入的研究。然而，支架中的低细胞密度限制了细胞的相互作用和信号传递， 不利于具有各向异性的生物与机械特性的关节软骨的形成。

针对这一局限，哈尔滨工业大学（深圳）吴洋助理教授与美国宾州州立大学Ibrahim Ozbolat教授团队结合无支架（scaffold-free）组织束打印与区域分层打印的概念，提出 一种新颖的软骨组织生物打印的方法，以模拟软骨组织的异质性。 该研究利用由人脂肪干细胞分化而来的软骨细胞制备组织束，作为生物打印的墨水。组织束仅由密集排列的细胞及基质组成，不含生物材料，并且具有良好的打印性能与机械稳定性，可快速自融合成大尺寸的组织。

图1：区域分层人工软骨的打印过程，包括细胞培养、组织束制备与人工软骨的分层打印

在人工软骨的打印过程中，细胞团块被注射到空心的藻酸钠管中，通过细胞聚集形成组织束。人工软骨的下层结构利用吸取式生物打印技术（aspiration-assisted bioprinting）在针阵列上对组织束进行垂直打印实现，上层结构利用挤出式生物打印技术（extrusion-based bioprinting）对组织束进行水平打印实现。两层组织束在打印后进行自融合形成完整的人工软骨。

图2：人工软骨的分层生物3D打印。（a）利用挤出式生物打印技术打印上层软骨，（b）利用吸取式生物打印技术打印下层软骨，（c）上下层软骨组织的自融合

该生物打印软骨的压缩模量约为1.1 MPa，与人体关节软骨数值相似。组织切片显示人工软骨的上层和下层组织融合良好，组织束在上层沿水平方向排布，在下层沿垂直方向排布。同时，细胞与胶原纤维在下层区域也体现出了垂直排列，在上层区域沿水平方向排列，与真实软骨具有一致的解剖学特征。该工作为软骨组织的修复提供了一个闭环策略，即利用手术废物（脂肪组织）的自体干细胞制备具有高度解剖相似性与临床可用的大尺寸组织替代物，用于同一病人的受损组织修复。

图3：区域分层人工软骨的形貌、细胞与胶原纤维的排列情况，以及与人体真实软骨组织的比较

以上成果发表在Advanced Healthcare Materials (DOI: 10.1002/adhm.202001657)上。论文的第一/通讯作者为哈尔滨工业大学（深圳）吴洋助理教授，共同通讯作者为美国宾州州立大学Ibrahim Ozbolat教授。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adhm.202001657

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