应用3D生物打印的软骨支架修复关节软骨缺损

作     者：刘杨 张啸 罗春阳 刘锋 Liu Yang;Zhang Xiao;Luo Chunyang;Liu Feng

作者机构：南京医科大学第一附属医院骨科南京210029 

出 版 物：《中华骨科杂志》 (Chinese Journal of Orthopaedics)

年 卷 期：2020年第40卷第6期

页      面：344-352页

核心收录：

学科分类：0403[教育学-体育学] 1002[医学-临床医学] 1001[医学-基础医学(可授医学、理学学位)] 1010[医学-医学技术（可授医学、理学学位）] 10[医学] 

基　　金：国家自然基金资助项目(81974332)。 

主　　题：组织工程 软骨,关节 细胞外基质 丝素蛋白 

摘      要：目的通过多喷头3D生物打印机制作软骨支架,按压配方式将支架植入关节软骨缺损区,修复动物模型的关节软骨缺损并观察效果。方法在软骨细胞外基质(extracellular matrix,ECM)中加入适量的丝素蛋白(silk fibrion,SF),并加入交联剂聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)和骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells,BMSCs)来配制生物墨水;用流变仪评估生物墨水的流变性能;使用傅立叶红外变换光谱鉴定生物墨水的蛋白质二级结构;利用装载有软骨生物墨水的加压喷头,打印厚2 mm,直径6 mm的组织工程支架;使用拉力机测量了组织工程支架的压缩模量;通过干失重法评估各个支架降解速率;CCK8及活死细胞染色评价支架上细胞的活力及增殖情况;实时荧光定量PCR评估体外培养28 d后支架上细胞软骨分化情况;按照自体软骨移植术的方式通过压配原理将支架嵌入动物关节软骨缺损区修复关节软骨缺损;用组织学染色及生化检测鉴定3个月后软骨修复效果。结果生物墨水均表现出剪切稀化的流动特性。含有丝素蛋白的生物墨水酰胺Ⅰ区吸收峰移至1623~1627 cm-1处。随着丝素蛋白含量增加,生物墨水的机械强度和降解性能提高,10%和15%打印支架等压缩模量分别达到(19.96±5.66)kpa和(26.87±10.68)kpa。各个生物墨水均无细胞明显细胞毒性。实时定量PCR表明,当丝素蛋白的含量达到10%~15%时,组织块中的骨髓间充质干细胞成软骨分化能力更强。体内研究:3个月后10%和15%的丝素蛋白生物支架sGAG/DNA含量分别为(0.25±0.01)μg/ng和(0.24±0.02)μg/ng,胶原/DNA含量分别为(17.71±0.83)ng/ng和(16.69±2.39)ng/ng,高浓度丝素蛋白打印的组织工程软骨能更好地修复关节软骨缺损。结论在含有10%和15%丝素蛋白生物墨水的3D生物打印支架中,骨髓间充质干细胞的软骨分化和细胞外基质(胶原蛋白和糖胺聚糖)的分泌均优于其他两种支架。不同支架的干细胞成软骨分化能力和细胞外基质分泌的变化,以及对关节软骨缺损的修复效果是由于支架力学性能的差异所致,并可以通过改变丝素蛋白的浓度优化。