生物3D打印仿生支架通过双向调控软骨内骨化促进肩关节再生

时间：2023-10-24 10:04 来源：九院3D打印中心王金武团队作者：admin 阅读：次

组织工程被认为是一种有潜力的方法，用于重建生物关节，尤其是在治疗晚期骨关节炎方面，但目前在大型生物关节的再生方面还没有取得重大进展。本研究利用多喷头协同生物打印技术设计和一体化制造了结构差异化、成分异质化、形态曲面不规则的大白兔兔肱骨头再生仿生支架，利用动态力学加压协同不同生化刺激信号实现对软骨内成骨的双重调控。这项研究提供了一种多功能且可扩展的修复大型关节的方法。

仿生支架：用于生物组织工程和再生医学的关键材料，其设计和制造得与自然生物组织相似。仿生支架在晚期骨关节炎患者治疗中发挥重要作用。
骨髓间充质干细胞（BMSCs）：是一种很有前途的骨和软骨组织工程自体细胞来源，通过调节软骨内骨化及微环境中复杂信号的空间调控，从而影响BMSCs的分化方向促进软骨细胞生成，这可能极大地有利于肱骨头的成功重建。多喷头协同生物3D打印技术：是一种新兴的生物制造技术，它可以采用多种喷头将含有不同生长因子和高密度活细胞输送到水凝胶、大分子和生物材料中，从而创建高度仿生的生物活性结构。研究人员使用这项技术制备具有不同结构、成分的大白兔肱骨头仿生支架，并进行了肩关节置换，用以分析术后兔肱骨关节正常结构再生和功能重建情况。
研究通过计算机断层扫描(CT)兔肱骨近端肱骨头获得3D数据设计生物支架。

图1 基于CAD/CAM技术构建了不同结构和成分的兔肱骨头支架。A-D）新西兰白兔左肱骨头扫描和假体设计效果图。E-H）分层肱骨头设计并打印路径设计。I-L）肱骨头3D打印的制备过程。M，N）打印模型和物理对象。O，P）肱骨头的基底视图和放大图像。

为了验证人工肱骨头的生物相容性，研究人员将每组生物打印支架进行培养1、3、5和7天后用活死细胞染色。BMSC均匀分布在支架之间（图2A，第3天）。在不同的支架中观察到高细胞活力和少量死细胞（超过95%），统计分析表明组间没有显着差异（图2B）。此外，细胞计数试剂盒-8（CCK-8）测定显示细胞增殖随着培养时间的增加而增加。结果表明，所制备的肱骨头支架具有良好的生物相容性，可用于细胞的长期生长。

图2 激光共聚焦扫描用于检测每个支架的生物相容性。A，B）活/死染色显示细胞在刺激1,3,5和7天时的存活状态和细胞存活率，而C）CCK-8测定显示支架中细胞在1,3,5和7天的刺激下增殖。

为了评估动态力学加压协同不同生化因素对支架中不同区域骨髓间充质干细胞软骨形成和软骨内成骨的影响，研究人员采用RT-PCR来评估透明软骨相关基因(II型胶原(COL-II)、聚集蛋白(AGG)和Sry相关HMG -9 (SOX9))和纤维软骨相关基因(I型胶原 (COL-I)、X型胶原 (COL-X)、基质金属蛋白酶-13 (MMP-13))在体外培养1、7、14天后在不同支架中的表达。结果表明，动态力学加压联合PTH双刺激支架能更好地诱导BMSCs成软骨分化，抑制软骨内成骨，而动态力学加压联合羟基磷灰石(HA)可刺激软骨内成骨的发育过程，有利于BMSCs体外成骨。

图3 模拟柱状支架上软骨层和下软骨下骨层软骨内成骨过程相关基因的表达

(责任编辑：admin)

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