3D打印的仿生多功能支架

促进炎症环境下骨软骨再生

●创新点

关节软骨损伤是一般人群和运动员最常见的关节损伤。有充分的证据表明，严重的关节损伤如骨软骨缺损，可能会导致人们在生命后期发生骨关节炎（OA）。软骨因其无血管、淋巴管以及神经分布，损伤后很难自行修复，进展性OA患者的软骨自我修复能力更是十分有限。目前，治疗软骨损伤的策略主要包括自体软骨细胞移植、微骨折技术和干细胞注射等。由于缺乏一种有效的策略来重建损伤关节内的多层功能性组织结构（软骨和骨），软骨和软骨下骨重建仍不能同时实现。干细胞治疗在软骨再生和OA治疗方面显示出广阔的应用前景。生物3D打印技术因其能够做到种子细胞、材料、活性因子和几何结构的精细打印，从而有望设计出与生物组织结构类似的多层组织几何结构。然而，目前的研究很少扩展到炎症条件下的软骨再生，特别是OA/进展性OA患者的软骨再生。有证据表明，抑制炎症微环境是有效修复OA关节软骨缺损的关键。因此，软骨再生应与抑制OA发展有效耦合起来，从而构成支持OA关节软骨再生的有效微环境。为了构成这样一个有效的微环境，支架的设计过程中需要考虑适当的化学材料、软骨形成因子、抗OA剂等的优化组合，以优化支架的结构和力学性能。具有这些微环境特征的支架开发具有挑战性，目前还没有实现。为了解决这一挑战，中国科学院深圳先进技术研究院王新峦研究员、阮长顺研究员和香港中文大学秦岭教授团队利用生物3D打印技术构建了一种装载骨髓间充质干细胞（BMSC）的仿生多层支架，以创建一个合适的微环境，从而有效地修复进展性OA关节骨软骨缺损。

●方法和结果

研究人员设计了一种以聚己内酯（PCL）和甲基丙烯酸透明质酸（MeHA）为基础的仿生多层复合生物支架，该支架包含3个不同的功能层域以模拟骨软骨结构。MeHA是一种用于生物3D打印的光交联水凝胶，具有良好的生物相容性，增加了支架的机械刚度和长期稳定性。PCL是骨修复中常用的生物材料，具有合适的力学性能，因此，研究人员选择PCL作为支架制备的基本框架材料。在支架打印策略上，研究人员选择PCL/MeHA交替打印以增强支架的生物力学性能。他们在支架中引入活性因子kartogenin（KGN）和活性材料β-磷酸三钙（β-TCP），用于修复每个区域内的骨软骨缺损，通过活体细胞3D打印的方式在缺损位置引入BMSC作为种子细胞。针对骨关节炎微环境金属蛋白酶（MMP）分泌增多的特点，研究人员设计了MMP敏感肽修饰的功能性给药水凝胶，通过在面向关节腔的支架顶部使用装载抗炎药物双氯芬酸钠（DC）的给药水凝胶（MMP-MeHA（DC））涂层，根据疾病进展响应性递送DC，以抑制骨关节炎性微环境对BMSC的负性调控作用。该研究旨在通过植入多孔生物活性支架实现再生微环境的精准重建，调控抗炎及诱导分化的微环境，进而促进骨关节炎状态下的骨与软骨修复。体外研究表明，该支架具有良好的生物相容性，以及诱导成软骨活性和抗炎活性。在内侧半月板切除术诱导的骨关节炎动物模型中，该支架可通过软骨保护和炎症调节机制促进骨关节炎状态下的骨与软骨修复，有效改善模型动物的关节功能。

应用前景

该研究显示了装载BMSC的生物3D打印支架在抑制关节炎症的同时促进OA关节软骨缺损修复的潜力，为组织工程支架治疗骨关节炎等关节疾病提供了一种有前景的治疗策略。

Source: LIU Y Z , PENG L Q , LI L L, et al. 3D-bioprinted BMSC-laden biomimetic multiphasic scaffolds for efficient repair of osteochondral defects in an osteoarthritic rat model [J].Biomaterials, 2021, 279, 121216.