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    3D打印PCL-MECM的水凝胶混合支架

    发布时间: 2020-08-14  点击次数: 284次

    半月板是一对楔形纤维软骨组织,位于相应的股骨髁和胫骨平台之间,其主要功能是充当垫子,通过增强稳定性,重新分配载荷和吸收震动来保护关节软骨免于超负荷。然而,一旦受伤,半月板的自我修复潜力有限,尤其是在内部区域,血液供应仅分布在周围区域的10%至25%之间。手术技术和异体移植是半月板修复的主要途径,但这些在临床实践中存在固有的局限性。近几年,组织工程为再生严重受损的半月板的提供了一条新的途径,但用于构建弯月面再生支架的生物材料(如合成聚合物,水凝胶和组织衍生的材料)很难再现类似于天然半月板组织的自然微环境。

     

    因此,郭全义团队通过3D打印以楔形聚(ε-己内酯)(PCL)为骨架的支架注入优化的半月板细胞外基质(MECM)的水凝胶,并用半月板纤维软骨细胞(MFCs)接种。结果显示MECM基水凝胶在促进MFCs细胞增殖和基质形成表型方面有一定的优越性,而且这种混合支架产生了良好的生物力学性能,接近天然半月板,可促进兔的整个半月板再生。基于细胞的PCL-MECM的水凝胶混合支架可能是未来半月板再生的全新策略。

     

     

    发表在ACS Appl. Mater. Interfaces杂志上题为“PCL-MECM-Based Hydrogel Hybrid Scaffolds and Meniscal Fibrochondrocytes Promote Whole Meniscus Regeneration in a Rabbit Meniscectomy Model”的文章,来自中国人民总医院骨科研究所的郭全义团队。

     

     

     

     

    首先,研究团队制备了五种浓度基于MECM的水凝胶,并根据其促进细胞增殖的能力和MFCs的基质形成表型选择了水凝胶。水凝胶的宏观视图和SEM图像(图2A、B)显示所有的MECM基水凝胶都具有相互连接的多孔结构。水凝胶的孔径和孔隙率随着MECM浓度的增加而减小。在4%的组中观察到孔径和孔隙率的急剧下降,而其他组的孔径大于150μm,孔隙率大于80%,有利于细胞的生长和增殖。

     

     

     

     

    从三维重建图像中可以看出细胞在MECM基水凝胶中均匀分布,并且定量分析表明所有组的细胞活力均大于90%。此外,在2%的组中观察到更多的活细胞,表明2%MECM基水凝胶可能更有利于细胞增殖。用RT-PCR(图3E)和GAG和胶原定量(图3F)评价了基于MECM的水凝胶促进去分化MFCs基质形成表型的能力,结果表明,所有MECM基水凝胶中都发现了胶原I、胶原II、SOX9和聚集蛋白聚糖的明显上调,其中,2%组软骨形成标志物的表达水平明显高于其他组,即2%MECM基水凝胶作为组织工程的理想生物材料具有很大的潜力。

     

     


     

     

     

     

     

     

     

    活力分析;图像显示了死细胞(红色),活细胞(绿色)以及基于MECM的水凝胶中MCFs分布的3D重建图像。(C)培养1、4、7和14天后,封装在基于MECM的水凝胶中的MFCs的CCK-8分析。(D)DNA含量;(E)与在单层培养中的P3处的MFCs相比,在基于MECM的水凝胶中培养的MCFs的胶原I,胶原II,SOX9和聚集蛋白聚糖的表达。(F)在不同时间点的细胞/水凝胶构建体的总GAG和胶原蛋白。

     

     

     

     

     

     

    接下来,基于微CT图像和天然兔半月板胶原纤维排列的三维立体定向纤维楔形多孔PCL支架。将优化后的MECM基水凝胶注入三维打印多孔PCL支架中,构建混合支架。多孔PCL支架充当提供机械强度和解剖形状的骨架,而基于MECM的水凝胶充当模仿MFCs天然微环境的细胞递送系统。由应力−应变曲线计算压缩和拉伸模量,混合支架的压缩模量为6.54±0.88MPa(天然半月板:3.76±0.14MPa),混合支架的拉伸模量为34.64±2.34MPa(天然半月板:45.58±1.30MPa)。结果表明,与天然半月板相比,混合支架具有良好的机械性能,足以承受力和保持完整的结构。

    半月板再生:3D打印PCL-MECM的水凝胶混合支架(图5)


     

    半月板再生:3D打印PCL-MECM的水凝胶混合支架(图6)



    后,根据宏观、组织学、生化、生物力学和图像评估,将PCL、PCL水凝胶和PCL水凝胶-MFCs支架植入兔膝关节,以评估其在植入后3个月和6个月的半月板再生潜力和软骨保护作用。与PCL-水凝胶和PCL组相比,PCL-水凝胶-MFCs组中新半月板的大小和形状较优,GAG和胶原蛋白含量显著较高,再生半月板的拉伸和压缩模量均显著提高,并且术后6个月未发现骨关节炎征象,软骨下骨仅轻度硬化。PCL-水凝胶-MFCs组中的再生半月板显示出更有效的预防软骨变性,这与再生半月板的质量相符。

     

     

     

    图5  (A) 支架植入和实验分组模式。蓝色箭头表示保存完好的内侧副韧带。(B)植入后3个月和6个月膝关节的宏观观察,切除的半月板显示在右边。(C)手术后3个月和6个月的半月板覆盖率。

    半月板再生:3D打印PCL-MECM的水凝胶混合支架(图8)


     

    图6  (A)再生半月板的组织学染色和免疫组织化学分析。(B)股骨髁和胫骨平台软骨的H&E染色图像。(C)再生半月板组织学评分。(D)胶原蛋白和GAG的总含量。(E)再生半月板的拉伸和压缩模量。

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