3D打印新型MeGO-GelMA水凝胶复合BMSCs支架构建分层带状组织工程软骨

Failure to imitate highly zonal organization of native articular cartilage restrict the clinic use of tissue-engineered cartilage, which is always composed of disorganized cellular and extracellular matrix (ECM). Recent studies found that multiple cell alignment and ECM deposition were affected by microstructures, but no literature reported the patterned chondrocytes alignment and ECM deposition. It’s hypothesized that anisotropic scaffold with different fiber dimater, alignment and pore size alone could direct chondrocytes patterened alignment and ECM deposition, resembling the highly zonal organization of native articular cartilage. To certify this hypothesis, Multilayer scaffold imitating the superficial, middle and deep zone of native articular cartilage was designed and manufactured with MeGO-GelMA hydrogel and BMSCs by 3D printing technique, which control the fiber dimater, alignment and pore size precisely, MeGO-GelMA BMSCs-laden tissue-engineered cartilage constructs were cultured on chondrogenic medium and cellular morphology, alignment and type of ECM and alignment in each layer were observed. In addition, this study is also attempted to prove that MeGO-GelMA hydrogel is an ideal material for cartilage constructs. This study will provide new insight into the importance of scaffold design and manufacture on imitating highly zonal organization of native articular cartilage, and is meaningful for cartilage repair

组织工程软骨中细胞和细胞外基质（ECM）散乱分布，不能模拟天然关节软骨高度组织化的分层带状结构是限制其临床应用的重要原因。最近研究发现，多种细胞定向生长和ECM定向沉积受支架形态和纤维排列影响，但是引导软骨细胞定向生长和ECM定向沉积尚未见文献报道。我们推测通过控制软骨支架不同层次纤维直径、排列方向和孔隙大小，利用支架结构特点可以引导软骨细胞定向生长和ECM定向沉积，构建类似天然关节软骨的分层带状结构。本课题设计了类似天然关节软骨的分层支架，利用3D打印控制纤维直径、排列方向和孔隙大小，制作复合BMSCs的MeGO-GelMA水凝胶支架，观察各层软骨细胞形态、ECM种类及排列方向，拟证明支架结构能够引导软骨细胞定向生长和ECM定向沉积，同时证明MeGO-GelMA水凝胶是制作软骨支架的理想材料。本课题将从新的视角阐明支架设计对构建类似天然关节软骨分层带状结构的重要性，为软骨修复提高新思路

组织工程软骨中细胞和细胞外基质(ECM)散乱分布，不能模拟天然关节软骨高度组织化的分层带状结构是限制其临床应用的重要原因。通过制作微型支架研究发现，多种细胞定向生长和ECM定向沉积受支架形态和纤维排列影响，但是软骨细胞的引导定向生长和ECM定向沉积尚未见文献报道，微型支架制造技术难度大是其中一个重要的限制因素。近年来，3D生物打印技术在支架结构及孔隙等方面的可控性优势使其快速发展并成为研究的前沿热点。因此，我们利用3D生物打印技术控制纤维直径、排列方向和孔隙大小，制作复合细胞的水凝胶支架，拟证明支架结构能够引导软骨细胞定向生长和ECM定向沉积。为实现研究目标，项目组从以下几个方面进行了研究：首先是材料的合成制备，我们成功合成氧化石墨烯-甲基丙烯酸酯(MeGO)和明胶-甲基丙烯酸酯(GelMA)两种材料，并顺利制作出MeGO-GelMA水凝胶，通过紫外光诱发交联将这种温敏材料固化，制作方便，无细胞毒性，生物力学性能优异，是一种潜在的可用于临床组织修复的生物可降解材料。其次是探索水凝胶3D打印条件，通过溶液浓度、容器及平台温度、喷头移动速度、驱动气压等协调控制，我们成功实现了水凝胶的3D打印，纤维直径150um也达到了较高的精细程度，并且纤维排列、孔隙结构均可调控，在此基础上成功实现了复合细胞的水凝胶打印，为进一步制作复杂的复合细胞的组织工程支架提供了重要参考，在水凝胶3D打印方面的探索性研究具有重要的应用前景。 最后，项目组成功证实支架的纤维结构形态对细胞生长具有重要作用，纤维排列方向能够诱导软骨细胞定向生长和细胞外基质定向沉积。本项目研究结果将为仿生支架的设计提供重要参考，通过利用支架内部纤维结构的排列引导细胞的定向生长和细胞外基质沉积，为实现构建功能化组织工程组织器官探索出了下一步研究方向，具有重要的科学意义。