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    天津大学刘文广教授开发3d打印可生物降解氢键强化明胶水凝胶支架用于软骨再生

    www.3ddyjsw.com | 发布:06-21 | 编辑: 3D打印技术网 | [点击收藏本文]

    关节软骨缺损以及膝关节软骨下骨变性是一种罕见的临床问题,它会导致疼痛,膝关节功能障碍,加重关节炎,严重的甚至会导致残疾。而骨软骨再生能否成功很大程度上取决于构建具有重现生态位线索能力的支架。水凝胶作为一类能用于软组织和硬组织再生的生物材料,具有很好的应用前景。其中,明胶水凝胶由于其良好的生物相容性、生物降解性、生物活性、来源丰富性而被开发作为3D打印的生物墨水。但传统的明胶水凝胶由于差的力学性能无法作为承重支架使用。

    近日,天津大学刘文广教授和中科院深圳先进技术研究院阮长顺副研究员团队报道了一种新型可生物降解的氢键强化明胶水凝胶支架并将其用于骨软骨再生。该梯度水凝胶生物支架由可裂解的聚(N-丙烯酰基-2-甘氨酸)(PACG)和甲基丙烯酸化的明胶(GelMA)(PACG-GelMA)构成,能够在骨软骨修复的早期阶段提供机械支持,并最终随着新组织的向内生长而降解。通过引入氢键强化的PACG有助于显着提高明胶水凝胶的机械强度,拉伸强度高达1.1 MPa,出色的抗压强度(高达12.4 MPa),高的杨氏模量(高达320 kPa)和高压缩模量(高达837 kPa)。其中,在模拟关节软骨-软骨下骨结构中,通过一步精确的热辅助挤出打印技术及后期的UV光聚合得到PACG-GelMA-Mn2+上层软骨层和载有生物活性玻璃的PACG-GelMA底骨层组成的双层生物梯度水凝胶支架。BG的掺入可以改善hBMSCs的增殖,ALP活性和分化,而Mn2+的引入可以促进hBMSCs的软骨分化,使得得到的生物混合梯度水凝胶支架在大鼠膝骨软骨缺损修复中起到同时加速软骨和软骨下骨分化的优越性。

    用于修复骨软骨缺损的生物混合梯度支架3D打印示意图

    图1. 用于修复骨软骨缺损的生物混合梯度支架的3D打印示意图。

    A)生物墨水A和生物墨水B的混合物,低温接收器辅助的3D生物打印方法制备生物混合梯度支架;B)通过UV光引发聚合和PACG-GelMA网络主要氢键的形成制备稳定水凝胶支架;C)在动物实验中,分别用Mn2+和BG处理生物混合梯度PACG-GelMA水凝胶支架的上层和下层,并用于骨软骨缺陷治疗。

    生物3d打印支架力学性能测试图片

    图2. 力学性能测试

    不同ACG和GelMA初始浓度制备的PACG-GelMA水凝胶A-C)拉伸应力-应变曲线;D-F)压缩应力-应变曲线。

    生物3d打印水凝胶在体外的降解行为图

    图3. 胶原酶溶液中不同初始浓度的ACG和GelMA制备的PACGX-GelMAY水凝胶在体外的降解行为。

    生物3d打印支架骨分化的基因分析图

    图4. 不同支架中生长的hBMSCs的软骨分化和成骨分化的基因分析

    A,B)分别培养7天和14天后,软骨相关基因的表达(COL II, 蛋白聚糖, SOX-9, and COLI);C,D)分别培养7天和14天后,成骨相关基因的表达(ALP, OCN, COL I,and RUNX2)。载入Mn2+的PACG10-GelMA10水凝胶支架和载入BG的PACG35-GelMA7水凝胶支架分别显著提升了软骨和成骨的分化(与对照组相比,*p < 0.05, #p< 0.01)。

    修复软骨下骨的微CT分析特征三维重建图像

    图5. 不同组4,8,12周修复软骨下骨的微CT分析特征三维重建图像。

    原文链接:

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201900867

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