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上海硅酸鹽所在多細胞生物3D打印方面取得重要進展
發布時間: 2021-05-18 15:08 | 【 【打印】【關閉】

  由于關節骨-軟骨組織結構及組成的復雜性,骨-軟骨缺損的一體化修復目前是醫學上亟需解決的難題。細胞3D打印是一種先進的生物制造技術,利用該技術可以實現多種材料、多種細胞和生物活性因子的精確定位與分布,為復雜組織和器官再造奠定基礎。關節軟骨和軟骨下骨各向異性的生理特性和雙向分化的需求使骨-軟骨組織的仿生重建面臨巨大的挑戰。因此,根據軟骨和軟骨下骨中不同的細胞類型和生理需求,開發出能夠同時模擬骨-軟骨組織結構和功能特性的3D多細胞支架尤為重要。

  近日,中國科學院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員和常江研究員帶領的研究團隊在生物3D打印多細胞支架用于骨-軟骨復雜組織再生方面取得重要進展。該研究團隊通過設計含無機生物活性材料的生物墨水的組成以及多種細胞的空間分布,利用多細胞生物3D打印技術構建了含軟骨細胞和間充質干細胞的多細胞體系,制備出的多細胞支架模擬了骨-軟骨組織各向異性的生理環境,能夠高效促進骨-軟骨復雜組織修復。該研究成果近日發表在Materials Today (doi.org/10.1016/j.mattod.2021.04.016)雜志上,并申請專利一項。論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生秦宸,指導教師為吳成鐵研究員。

  該團隊首先開發了基于Li-Mg-Si(LMS)生物活性陶瓷的生物墨水,并利用細胞生物3D打印技術,通過控制生物墨水及細胞的組成和分布,構建了含有軟骨細胞和間充質干細胞的多細胞體系,以模擬骨-軟骨組織各向異性的生理環境。生物打印的多細胞支架被設計為兩層,其中軟骨層為負載軟骨細胞的水凝膠生物墨水,軟骨下骨層是負載有間充質干細胞的含LMS生物陶瓷的生物墨水。細胞和生物墨水的這種組成和空間設計能夠滿足軟骨和軟骨下骨中不同細胞增殖和分化的需求。含LMS生物陶瓷的生物墨水不僅可以模擬骨骼中的無機成分,而且還可以釋放出多種生物活性離子以誘導不同細胞朝著特定的方向分化,從而同時促進軟骨和軟骨下骨的再生。生物3D打印的多細胞支架顯示出優異的細胞活力、空間分布和遞送效率,其在體外能夠調節多種細胞的分化行為,并在體內有效促進了大塊骨-軟骨缺損的修復。這種基于生物陶瓷墨水的多細胞生物3D打印策略的主要優勢在于:(1)僅使用一種無機生物材料的生物墨水,為多種細胞的生長和分化提供了有利的微環境;(2)利用多細胞3D生物打印技術,可構建無界面的多層細胞支架來模仿骨-軟骨復雜組織,并在三維空間中精準地排布不同類型的細胞(軟骨細胞和間充質干細胞)。這種新策略為人體復雜組織和器官再造提供了新思路。

  相關研究得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金、中國科學院創新交叉團隊等基金的支持。

  相關鏈接:https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.04.016

將含有LMS生物陶瓷的生物墨水與多細胞相結合,通過3D生物打印方法制備模擬骨-軟骨組織的雙層多細胞支架修復骨-軟骨缺損

生物3D打印的多細胞支架具有良好的細胞增殖行為和可控的空間細胞分布。(A)生物3D打印多細胞支架的打印過程。(B)含有不同濃度LMS生物陶瓷的多細胞支架中細胞增殖情況。(C)含有不同濃度LMS生物陶瓷的多細胞支架的光學照片及活/死細胞染色照片(活細胞:綠色;死細胞:紅色)。(D)在生物3D打印支架中,兩種細胞的空間分層分布(上層的軟骨細胞用紅色熒光標記,下層的間充質干細胞用綠色熒光標記)

生物3D打印的多細胞支架對于兔骨-軟骨缺損的修復效果。組織學分析表明,生物3D打印支架對于軟骨和軟骨下骨組織的再生均具有促進作用。(A)番紅O/快綠組織學染色圖像。(B)Van Gieson組織學染色圖像。(C)根據O’Dorscoll分級系統對各組的修復情況進行組織學評分

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