印度理工學院：使用無交聯(lián)劑的絲素-明膠生物墨水進行軟骨組織工程的3D生物打印

供稿人:韓康，賀健康

軟骨是人體內(nèi)高度分化的結(jié)締組織，由于缺乏血管、淋巴系統(tǒng)和較低的細胞密度，致使其自我再生能力有限。因此，對該組織的任何損傷都會在人體內(nèi)保留多年，使軟骨進一步退化并最終引發(fā)關(guān)節(jié)功能受損，生活質(zhì)量下降的退化性疾?。ㄈ绻顷P(guān)節(jié)炎）。

目前的治療策略包括微骨折、嵌合成形術(shù)、骨軟骨移植和自體軟骨移植(ACI)。這些方法在很大程度上改善了缺損修復的效果，但往往會導致低性能軟骨的形成，這只是延緩了組織退化的發(fā)生，延緩了骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生，并不是長期的臨床解決方案。因此，迫切需要潛在的替代治療方法。

近日，印度理工學院的研究者們開發(fā)了用于軟骨再生不含交聯(lián)劑的基于絲素-明膠生物墨水配方，該墨水由兩種不同的絲素（桑蠶和蓖麻）以及明膠混合而成，當兩種類型的絲素混合時，絲聚合物開始自凝膠化，明膠被纏結(jié)在這種凝膠絲基質(zhì)上，形成了一種粘彈性墨水，是生物3D打印的最佳選擇。此外，將豬原代軟骨細胞封裝在墨水中以制成生物墨水，并對其可打印性，打印保真度，生物學以及功能評估進行研究（圖1）。

圖1 （A）生物墨水配方，（B）生物聚合物的纏結(jié)和相互作用，（C）數(shù)字建模和（D）充滿細胞的構(gòu)建體的3D生物打印和成熟

研究者首先通過打印網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和形如人耳的解剖結(jié)構(gòu)證明了該墨水的高保真度，良好打印性以及尺寸穩(wěn)定性。根據(jù)總體形態(tài)分析，構(gòu)建體保留了其結(jié)構(gòu)完整性（圖2A-B）。打印的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的尺寸為7.25×7.25×3mm 3，絲間間距為0.75mm，層間增量為0.25mm。在打印類似于人耳的解剖結(jié)構(gòu)的情況下，盡管為較大的尺寸（33×20×12mm3），但在打印過程中，打印的構(gòu)造物是穩(wěn)定的，不會丟失其形狀或塌陷。墨水的高保真度和合適的粘度表明其能夠打印較大的解剖結(jié)構(gòu)。

圖2 墨水的打印保真度（A）網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的打?。╥）通過噴嘴擠出墨水，（ii）最初的幾層，（iii）形成網(wǎng)格狀圖案； （B）人體解剖耳朵的制造（i）CAD模型和生成的STL文件，（ii）使用切片器生成的G代碼，（iii）打印過程，以及（iv）打印的耳朵結(jié)構(gòu)。

為表明開發(fā)的生物墨水配方具有細胞相容性，研究者使用鈣黃綠素-AM染色評估了生物打印構(gòu)建物中封裝的軟骨細胞的活力。圖3A顯示了在第1天和第14天的軟骨細胞存活情況，該構(gòu)建體表明軟骨細胞具有典型球形形態(tài)的均勻分布以及良好的活性。作為鈣黃綠素-AM染色的補充，圖3B顯示了在DAPI染色的冰凍切片中細胞的存在，且細胞均勻分布并排列成網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。此外，H＆E染色顯示整個構(gòu)建體中細胞的附著和均一存在。

圖3 免疫熒光染色 （A）鈣黃綠素AM染色圖像; （B）DAPI標記的亮藍色細胞，和（C）構(gòu)建體的H&E染色切片組織工程支架

總而言之，絲素-明膠聚合物共混生物墨水在軟骨組織工程中的潛在應(yīng)用顯示出很高的可行性，并且可以根據(jù)需要進行結(jié)構(gòu)，機械和生物相容性的定制化生物打印。

參考文獻：
Singh, Y. P.; Bandyopadhyay, A.; Mandal, B. B., 3D Bioprinting Using Cross-Linker-Free Silk-Gelatin Bioink for Cartilage Tissue Engineering. ACS Appl Mater Interfaces 2019, 11 (37), 33684-33696.

供稿人:韓康，賀健康 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室