应用于3D生物打印的甲基丙烯酸酐化明胶水凝胶相关理化性能的研究进展

甲基丙烯酸酐化明胶（GelMA）水凝胶由明胶和甲基丙烯酸（MA）聚合反应合成。GelMA水凝胶的制备方法简单,并具有良好的生物相容性及机械性能可调节性,受到众多研究者的关注。其在伤口敷料、药物释放支架及组织工程等生物医学工程领域具有巨大的应用潜力。文章对GelMA水凝胶的制备及其性能进行概括,对近年来利用纳米材料、天然聚合物和合成聚合物与GelMA水凝胶结合对材料改性进行综述,并对应用于3D生物打印的多功能GelMA水凝胶未来发展方向进行总结与展望。GelMA水凝胶属于多肽类水凝胶,脆弱易碎裂的特征极大限制了其应用,经过后期的改性提高力学性能的同时,可能将造成其生物相容性的降低,使材料的最终临床转换面临重大挑战。未来将通过不断探索复合天然/合成聚合物的混合水凝胶,提升支架的机械性能,同时保留GelMA优越的生物相容性。特别是纳米材料与GelMA水凝胶结合,将支架实现智能功能,尤其是在敷料支架领域的研究。     

富血小板纤维蛋白复合甲基丙烯酰化明胶水凝胶的促成骨性能

背景：富血小板纤维蛋白具有制备简单、制作费用低、安全性高等诸多优势,目前已被广泛应用于口腔颌面外科骨缺损修复研究中,但存在降解速度太快、生长因子释放时间短等问题。目的：将富血小板纤维蛋白负载于甲基丙烯酰化明胶水凝胶内,通过体内外实验分析其促成骨性能。方法：(1)抽取新西兰大白兔静脉血,制备富血小板纤维蛋白。分别制备含0,0.05,0.075,0.1 g富血小板纤维蛋白的甲基丙烯酰化明胶水凝胶,分别记为GelMA、GelMA/PRF-0.05、GelMA/PRF-0.075、GelMA/PRF-0.1,表征水凝胶的微观形貌与体外缓释性能。(2)将4种水凝胶分别与MC3T3-E1细胞共培养,以单独培养的细胞为对照,检测细胞增殖活性;成骨诱导后,检测细胞碱性磷酸酶活性、矿化能力、成骨相关基因(骨钙素、骨桥蛋白、RUNX2)mRNA与蛋白表达,ERK1/2-p38 MAPK通路蛋白mRNA与蛋白表达。(3)取15只新西兰大白兔。在每只兔颅骨部分别制备4个直径8 mm的全层骨缺损,其中1处缺损不植入任何材料(空白对照组),另3处缺损分别植入GelMA水凝胶、富血小板纤维蛋白、GelMA/PRF-...     

聚丙烯酰胺改良甲基丙烯酰化明胶接枝钛合金支架的促成骨性能

背景:钛及其合金因出色的生物相容性、耐腐蚀性、力学性能被广泛应用于骨科内植物中,但其本身拥有生物惰性不能为成骨细胞提供良好的生长环境,较难形成良好的骨整合。目的:在钛合金支架表面构建甲基丙烯酰化明胶和聚丙烯酰胺复合水凝胶材料,分析其体外促成骨能力。方法:将甲基丙烯酰化明胶与丙烯酰胺混合,加入交联剂与催化剂合成甲基丙烯酰化明胶-聚丙烯酰胺(Gelma-PAAM)水凝胶。将经亲和硅烷表面改性后的钛合金支架分别与甲基丙烯酰化明胶(Gelma)水凝胶、Gelma-PAAM水凝胶混合,完成负载(分别记为Ti-Gelma、Ti-Gelma-PAAM),比较支架表面两种水凝胶的溶胀比、降解率,通过扫描电镜观察水凝胶与钛合金的结合状态。将大鼠骨髓间充质干细胞分别接种于单纯钛合金支架、Ti-Gelma支架、Ti-Gelma-PAAM支架中,检测细胞增殖、黏附及成骨分化能力。结果与结论:①与Gelma水凝胶相比,Gelma-PAAM复合水凝胶具有更高的溶胀比与更低的降解率;②扫描电镜下可见两种水凝胶表面为蜂窝状结构,与多孔钛合金支架结合后呈膜样包裹于支架表面并充斥孔隙,其中Gelma-PAAM复合水凝胶包裹支架得更充分;③CCK-8检测与活-死荧光染色显示,与Ti-Gelma、Ti-Gelma-PAAM支架共培养后的骨髓间充质干细胞增殖良好并保持较高的活性;成骨诱导培养后,单纯钛合金支架组细胞碱性磷酸酶活性、钙沉积量与成骨基因表达量最低,Ti-Gelma-PAAM组细胞碱性磷酸酶活性、钙沉积量与成骨基因表达量最高;④鬼笔环肽骨架染色显示,单纯钛合金支架组、Ti-Gelma组细胞稀疏、伸展不够充分,Ti-Gelma-PAAM组细胞伸展充分、肌动蛋白丝致密;⑤结果表明,Gelma-PAAM水凝胶具有良好的生物相容性与促成骨能力,较Gelma水凝胶更适宜用于钛合金金属表面的促成骨改性。     

甲基丙烯酰化透明质酸/脱细胞华通胶水凝胶支架的制备与表征

背景:随着组织工程为关节软骨损伤修复这一世界难题带来了新的希望,构建成分仿生的光固化3D打印水凝胶支架对软骨组织工程具有重要意义。目的:通过数字光处理3D打印技术构建成分仿生的甲基丙烯酰化透明质酸/脱细胞华通胶水凝胶支架,评价其生物相容性。方法:从人脐带中分离提取华通胶组织后进行脱细胞处理,冷冻干燥后磨成粉末,溶于PBS中制备50 g/L的脱细胞华通胶溶液。制备甲基丙烯酰化透明质酸,冻干后溶于PBS中制备50 g/L的甲基丙烯酰化透明质酸溶液。将脱细胞华通胶溶液与甲基丙烯酰化透明质酸溶液以体积比1∶1混合,加入光引发剂后作为生物墨水。通过数字光处理3D打印技术分别制备甲基丙烯酰化透明质酸水凝胶支架(记为HAMA水凝胶支架)与甲基丙烯酰化透明质酸/脱细胞华通胶水凝胶支架(记为HAMA/WJ水凝胶支架),表征支架的微观结构、溶胀性能、生物相容性与促软骨分化性能。结果与结论:①扫描电镜下见两组支架均呈三维立体的网状结构,其中HAMA/WJ水凝胶支架纤维连接更加均匀;两组支架均在10 h内达到溶胀平衡,HAMA/WJ水凝胶支架的平衡溶胀比低于HAMA水凝胶支架(P<0.05)。②CCK-8实验显示相较于HAMA水凝胶支架,HAMA/WJ水凝胶支架可促进骨髓间充质干细胞的增殖;死活染色显示骨髓间充质干细胞在两组支架上生长良好,并且HAMA/WJ水凝胶支架上的细胞立体分布均匀、细胞数量更多;鬼笔环肽染色显示相较于HAMA水凝胶支架,HAMA/WJ水凝胶支架上的骨髓间充质干细胞黏附与铺展更佳。③将骨髓间充质干细胞接种于两组支架后进行成软骨诱导培养,qRT-PCR检测结果显示,HAMA/WJ水凝胶支架组聚集蛋白聚糖、SOX9、Ⅱ型胶原mRNA表达量均高于HAMA水凝胶支架组(P<0.05,P<0.01)。④结果表明,数字光处理3D生物打印HAMA/WJ水凝胶支架可促进骨髓间充质干细胞的增殖、黏附及成软骨分化。     

负载尼洛替尼的甲基丙烯酰化明胶微针贴片治疗心肌梗死后心脏功能障碍的研发与应用

本研究旨在评价负载尼洛替尼的生物相容性甲基丙烯酰化明胶（GelMA）微针贴片应用于心肌梗死（简称：心梗）后对心脏功能障碍的治疗作用,为临床抗心肌纤维化治疗提供新的思路。本研究在心梗造模后10 d（疤痕成熟期）,将GelMA微针贴片贴附于心外膜表面,靶向梗死及周围区递送抗纤维化药物尼洛替尼。在心梗造模后28 d,通过超声心动图、血浆脑型利钠肽、心重/体重比等指标评价心脏功能和左室重构情况;通过小麦胚芽凝集素染色评价心肌肥大情况;通过苏木精—伊红染色、天狼星红染色评价心肌纤维化情况。结果显示,相较于心梗对照组及使用空白GelMA微针贴片治疗组,负载尼洛替尼的GelMA微针贴片可减轻心肌肥大和梗死周围区纤维化过度扩张,从而预防不良心室重构,改善心功能。本研究所提这一治疗策略是纠正心梗后心脏功能障碍的一次有益尝试,有望成为纠正心梗后心脏功能障碍的新策略,对改善心梗患者的长期预后具有重要的临床意义。     

载细胞多孔甲基丙烯酸酐化明胶三维支架及对细胞行为的影响

背景:水凝胶材料支架是三维培养细胞的理想材料之一,但水凝胶内部密集的网络结构对细胞增殖及舒展有明显抑制作用,水凝胶支架内部的多孔结构对上述问题有明显改善。目的:探讨以甲基丙烯酸酐化明胶为支架材料、聚环氧乙烷溶液为造孔剂构建三维载细胞多孔水凝胶支架的方法,以及多孔水凝胶支架对细胞行为的影响。方法:制备甲基丙烯酸酐化明胶水凝胶溶液与聚环氧乙烷溶液,将二者分别以4∶1、3∶1、2∶1、1∶1的体积比混合,加入骨髓间充质干细胞,设计构建可载细胞的三维多孔水凝胶支架,表征支架的微观形貌与力学性能,利用活死染色观察细胞相容性、细胞骨架染色观察细胞形态。结果与结论:(1)扫描电镜下可见,各组支架截面呈均匀分布的多孔结构,各孔隙之间相互连通,孔隙呈类椭圆形或类圆形,随着聚环氧乙烷溶液比例的增加,支架的孔径及孔隙率增加;(2)多频应变曲线显示,各组支架的应变均可达到40%以上,其中体积比1∶1支架的应变可达到60%;随着聚环氧乙烷溶液比例的增加,支架的储能模量下降,其中体积比1∶1支架的力学强度较差,仅能勉强维持支架的形态;(3)体外培养14 d的活死染色显示,各组支架内的细胞存活率均>85%;(...     

利用同轴3D打印技术构建促内皮细胞生长类血管组织工程支架

体外构建血管网络对组织工程领域厚组织与器官再生至关重要。利用同轴3D打印技术,以海藻酸钠/丝素蛋白为生物墨水,可快速制备含人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的类血管组织工程支架。首先通过材料压缩模量和可打印性测试,优化适用于同轴系统的材料浓度;然后通过光学相干层析成像技术,研究打印参数对中空纤维丝形状的影响,优化同轴打印参数;结合模拟灌流实验,对支架内部类血管结构进行表征;最后通过细胞活、死染色和Alamar Blue法,检测支架中HUVECs生长情况。结果表明,经优化的生物墨水及打印参数能顺利制备具有内部联通性完整的类血管组织工程支架;HUVECs在体外培养时存在团聚生长现象,类血管通道的存在有利于维持组织整体活性,一周存活率在97%以上,且相比对照组能够维持较高的增殖速率。研究证明,利用同轴3D打印技术能成功构建促内皮细胞生长的类血管组织工程支架,可为厚组织及器官再生提供新的可能。     

3D打印高密度聚乙烯支架表面涂层的性能

背景：高密度聚乙烯常用作颅颌面骨缺损的修复材料,然其制备方式及表面活性仍需进一步改进。目的：优化高密度聚乙烯制备方法,改善高密度聚乙烯表面活性。方法：基于挤出式3D打印技术制备高密度聚乙烯支架,将支架依次浸入多巴胺溶液、模拟体液中进行聚多巴胺、羟基磷灰石涂层。表征涂层前后支架的微观形貌、亲水性和压缩模量。在支架表面分别接种小鼠胚胎成骨前体细胞MC3T3-E1和人脐静脉内皮细胞,评估涂层前后支架的细胞相容性、早期成骨活性和促血管活性。结果与结论：(1)3D打印的高密度聚乙烯支架纤维排列规则,孔隙均匀;表征结果显示,支架表面聚多巴胺、羟基磷灰石改性成功;与未改性支架相比,聚多巴胺涂层与聚多巴胺+羟基磷灰石涂层改性后的支架表面水接触角明显减小(P <0.05),压缩模量未发生明显变化;(2)与未改性支架相比,聚多巴胺涂层与聚多巴胺+羟基磷灰石涂层改性后的支架可促进MC3T3-E1细胞、人脐静脉内皮细胞的黏附(P <0.05),且双涂层改性组促细胞黏附优于单涂层改性组(P <0.05);与未改性支架相比,聚多巴胺涂层与聚多巴胺+羟基磷灰石涂层改性后的支架可促进MC3T3-E1...     

基于3D打印细胞培养支架内部血管通道的模拟与构建

传统的三维支架细胞培养技术已能较好地实现细胞在培养过程中的空间排布,但是其结构仍不具有类血管网络的通道结构,尚不能完全模仿人体内部的细胞生长环境。在3D打印生物支架的基础上,借助强制结构优化方法,利用VS平台上的C++自编译软件,在三维生物支架STL模型内部构建出模拟的三维血管通路,生成新的三维生物支架STL模型,并利用3D生物打印机打印出实物。通过对打印支架的空隙和血管大小的统计分析以及与数字模型的参数对比分析得出,打印出的实物支架孔隙(孔隙间距、线宽)的平均值及打印血管(孔隙间距、线宽)的平均数据与对应数字模型的设定数据的误差均在5%以内,符合设计要求。另外,该研究可增加细胞培养支架内部液体的流通性,使支架结构进一步接近人体内环境,为模拟人体内液体循环对于细胞生长的影响提供可能。     

甲基丙烯酸酐改性明胶/经处理牙本质基质生物活性支架的制备及性能

背景:牙髓-牙本质再生一直是近几年研究的热点及难点,构建复合生物支架材料为牙髓-牙本质再生提供了新的思路与方法。目的:观察甲基丙烯酸酐改性明胶/经处理牙本质基质支架对人牙髓干细胞增殖、迁移与成骨分化的影响。方法:将不同质量的经处理牙本质基质分散至甲基丙烯酸酐改性明胶溶液中,使甲基丙烯酸酐改性明胶与经处理牙本质基质的质量比分别为2∶1、1∶1、1∶2,采用冷冻干燥法制备甲基丙烯酸酐改性明胶/经处理牙本质基质支架,检测支架的微观形貌、吸水率及机械性能。采用不同质量比的支架浸提液、DMEM培养基(对照组)分别培养人牙髓干细胞,检测细胞增殖与迁移情况。采用不同质量比的支架浸提液+成骨诱导液、DMEM培养基+成骨诱导液(对照组)分别培养人牙髓干细胞,碱性磷酸酶染色分析成骨能力。结果与结论:①扫描电镜下可见3组支架均具有多孔结构,随着支架中经处理牙本质基质质量的增加,支架的孔隙率升高,组间两两比较差异有显著性意义(P<0.05);随着支架中经处理牙本质基质质量的增加,支架的吸水率升高,组间两两比较差异有显著性意义(P<0.05);随着支架中经处理牙本质基质质量的增加,支架的抗压强度、剪切强度增大。②CCK-8检测显示培养3,5,7 d,2∶1、1∶1、1∶2支架组细胞增殖吸光度值均高于对照组(P<0.05),并且随着支架中经处理牙本质基质质量的增加,细胞增殖吸光度值升高(P<0.05);细胞划痕实验显示2∶1、1∶1、1∶2支架组细胞迁移率均大于对照组(P<0.05),并且随着支架中经处理牙本质基质质量的增加,细胞迁移率增大(P<0.05)。③碱性磷酸酶染色显示,2∶1、1∶1、1∶2支架组细胞成骨分化能力均强于对照组,并且随着支架中经处理牙本质基质质量的增加,细胞成骨能力增强。④结果表明,甲基丙烯酸酐改性明胶与经处理牙本质基质质量比为1∶2的支架最适合牙髓干细胞的增殖与分化。     

体外构建3D细胞压力培养模型研究压力对增生性瘢痕成纤维细胞的作用

目的 采用Flexcell-5000C压力系统和鼠尾Ⅰ型胶原构建3D细胞压力培养模型,在体外细胞水平探讨压力对增生性瘢痕成纤维细胞(HSFb)的作用.方法 胶原酶消化法分离培养原代HSFb,采用Flexcell-5000C压力系统和鼠尾Ⅰ型胶原体外构建HSFb 3D培养模型.实验分为对照组(未施压)、10 mmHg压力...     

力学刺激提高生物3D打印软骨构建物基质的形成

背景：基质分泌不均匀、力学强度不足是影响组织工程构建物在体内形成效果的重要因素,力学刺激是促进细胞外基质分泌的有效手段。目的：探索3D生物打印复合支架在力学加压环境下的生物学表现。方法：采用3D生物打印技术制备软骨细胞-甲基丙烯酰胺基明胶复合支架,活死染色观察细胞存活情况。将复合支架置于力学加压生物反应器中进行加压培养,以6孔板中不加压培养的复合支架为对照,活死染色观察细胞存活情况,组织学染色观察复合支架体外软骨形成情况,qRT-PCR检测成软骨相关基因mRNA的相对表达量。将加压与不加压复合支架分别植入裸鼠皮下,5周后取材,组织学观察软骨形成情况。结果与结论：(1)复合支架外观呈现清晰的网格状结构,体外培养1,4,7 d时,支架形态稳定、结构清晰,细胞存活率均在90%以上;(2)培养2周后,加压组复合支架中的细胞存活率低于不加压组(P <0.05);苏木精-伊红染色显示两组复合支架均有明显的软骨陷窝结构,细胞在材料中分布较均匀,加压组复合支架的材料间空隙内有更多新生软骨组织形成;番红O染色显示两组均可见红色软骨基质形成,加压组细胞周基质染色更深;Ⅰ型胶原免疫组织化学染色显示,加...     

不同交联密度甲基丙烯酰酯明胶/脱细胞半月板细胞外基质复合水凝胶的性能

文题释义：脱细胞半月板细胞外基质：由新鲜半月板组织通过湿法差速离心方法脱细胞制备而来,在去除了异体半月板的免疫原性的同时,仍保留了组织的大部分成分和组织本身的生物学性能,例如影响细胞的活性、调控细胞的增殖和分化、促进组织再生和修复等。 甲基丙烯酰酯明胶：是一种明胶的衍生物,由甲基丙烯酸酐与明胶合成而来。在加入光引发剂的基础上经紫外线照射,明胶链上的甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸甲酯侧基聚合形成聚合物链,聚合物链交错纵横,最终形成网状结构。 交联密度：通常用来表征交联聚合物里交联键的数量,主要受交联时间和交联光强度的影响,其可明显改变聚合物链的形成情况。 背景：交联后的聚合物链对水凝胶的基本性质和细胞相容性存在显著影响,而交联密度可明显改变聚合物链的形成情况,有关交联密度对水凝胶性能影响的针对性研究较少。 目的：制备一种细胞相容良好性的复合水凝胶,探究交联密度对该水凝胶性能的影响。 方法：配制甲基丙烯酰酯明胶溶液,然后加入脱细胞半月板细胞外基质溶液与LAP溶液,制备预凝胶溶液,采用蓝光对溶液进行交联,交联时间分别为10,30,60 s,检测3种水凝胶的压缩弹性模量、溶胀倍率与降解性能。将半月板纤维软骨细胞加入预凝胶溶液中,采用蓝光对溶液进行交联,交联时间分别为10,30,60 s,检测培养对应时间的细胞活性、形态与聚集。 结果与结论：①交联60 s水凝胶的压缩模明显高于交联10,30 s的水凝胶(P < 0.05);②交联10 s水凝胶的溶胀倍率明显高于交联30,60 s的水凝胶(P < 0.05),交联30,60 s的水凝胶的溶胀倍率比较差异无显著性意义(P > 0.05);③随着交联时间的延长,水凝胶的降解时间延长,交联60 s的水凝胶需要80 min完全降解,交联10 s的水凝胶50 min就可以完全降解;④培养24 h后,3组水凝胶中的细胞活性均在95%以上,各组之间无差异(P > 0.05);⑤培养1 d时,3组水凝胶中的细胞均呈球形且均匀分布;4 d时,3组细胞均开始伸展,交联10 s水凝胶中有较小的细胞团;7 d时,3组细胞树突状伸展更为明显,其中交联10 s水凝胶中形成了较为明显的细胞团;⑥培养1,7,14 d时,交联10 s水凝胶中的细胞活性均在85%以上。培养1 d时,交联10 s水凝胶中的细胞呈球形分布,且分布均匀;培养28 d时,细胞呈树突状伸展,并聚集形成网状结构;⑦结果表明,甲基丙烯酰酯明胶/脱细胞半月板细胞外基质复合水凝胶的性能可通过调整交联密度进行优化。 ORCID: 0000-0002-3606-1097(周建) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

明胶/氧化纳米纤维素高弹性模量高孔隙皮肤支架的3D打印工艺

背景：在采用主动修复治疗手段应对皮肤创伤时,需要使用组织工程技术生成新的组织来代替坏死组织,皮肤支架在创伤修复领域具有良好的应用前景。皮肤支架需要呈现具有一定力学强度的三维多孔结构,以满足细胞增殖分裂的需求,而目前使用的明胶基生物材料力学强度弱,无法达到皮肤支架的使用要求。目的：针对明胶/氧化纳米纤维素复合材料制备组织工程皮肤支架时使用的3D打印工艺进行研究,重点研究不同工艺参数下制备皮肤支架的孔隙率与其力学强度之间的关系。方法：从葎草中提取10%浓度的氧化纳米纤维素晶须,再与5%的明胶复合得到明胶/氧化纳米纤维素复合材料,检测明胶与明胶/氧化纳米纤维素复合材料的弹性模量。以明胶/氧化纳米纤维素复合材料为基材,采用3D打印挤压成型方法制备皮肤支架,通过对材料进行力学性能测试和流变特性测试确定挤压成型工艺参数(填充间隙1.5-2.5 mm,0.1 mm均布;气压160-200 kPa),并以此制备具有三维多孔结构的皮肤支架。对皮肤支架进行了抗压性能的测试并与有限元分析结果相对比,论证了支架打印时的填充间隙与支架孔隙率及力学强度之间的关系。结果与结论：(1)通过实验得出,加入10%浓度的氧...     

力学性能可控的甲基丙烯酸化明胶（GelMA）人工软骨性能及软骨/骨表界面结合研究

目的 探寻优化骨表面力学匹配的软骨修复材料,并探讨软骨修复材料与骨结合的表界面性能,为软骨修复材料的设计及制备提供依据。方法 以明胶和甲基丙烯酸酐为原料,在明胶分子中引入双键结构,使用紫外光交联的方式制备甲基丙烯酸化明胶（GelMA）水凝胶。运用扫描电子显微镜、万能力学试验机分析水凝胶的形貌、孔径大小和力学性能;体外降解实验、体外拉伸实验评估水凝胶的降解和拉伸特性;黏附能力定性实验、三维立体光学显微镜和扫描电子显微镜评估水凝胶的黏附能力;细胞增殖测试和Live/Dead染色测定细胞活性和毒性。探讨了不同紫外光照时间下GelMA水凝胶的理化性能及软骨/骨材料结合的表界面结合性能,对性能适宜的修复材料进行了配比、力学优化。结果 紫外光照（UV）交联时间为1 min时水凝胶孔隙最大（110.25±6.51）μm,孔隙率高达（45.24±2.78）%;12 h时水凝胶的平衡溶胀比达（148.43±3.84）%;28 d失重率为（17.40±2.38）wt%;水凝胶的拉伸性能随紫外光照时间延长而逐渐增加;GelMA水凝胶对骨髓间充质干细胞增殖无明显抑制作用;水凝胶软骨修复材料与骨的结合良好,可黏附于仿生骨材料表面。结论 紫外光照交联时间1 min时GelMA水凝胶的吸水速率和平衡溶胀比最佳,降解速快,拉伸性能与天然软骨结构类似,具有良好的生物相容性,与骨修复材料力学匹配,该力学性能可控的GelMA水凝胶软骨修复材料为软骨/骨的连接及性能匹配提供了依据。     

3D打印水凝胶仿生结构修复运动系统的组织损伤

背景:创伤、炎症和肿瘤等因素常会造成运动系统各组织缺损,损伤包括骨、关节、骨骼肌以及伴行血管及神经,而临床上通常难以对涉及的所有组织功能损伤实现系统地修复,这为临床治疗带来了极大的挑战。目的:阐述3D打印的水凝胶仿生结构在运动系统组织损伤中的应用。方法:运用计算机检索中国知网、万方和PubMed数据库中2003-2023年发表的相关文献,以“3D printing,Hydrogel,Bone,Cartilage,Muscle,Nerve,Vasculature,Tissue engineering,Biomimetics”为英文检索词,以“3D打印,水凝胶,骨,软骨,肌,神经,脉管系统,组织工程,仿生结构”为中文检索词检索,并进行筛选、归纳与总结,最终纳入63篇相关文献进行综述。结果与结论:(1)3D打印水凝胶可以通过几种不同的方式实现,如直接3D打印、混合模式3D打印,或是通过打印中间模具来制造具有3D仿生结构的水凝胶,在目前的研究中,3D打印水凝胶仿生结构的制造工艺里应用最广泛的还是挤出式打印。(2)通过生物打印水凝胶可制造具有复杂灌注结构的仿生血管并可诱导形成生物相关、高度组织化...     

改性3D打印钛支架对脂肪间充质干细胞成骨分化的影响

背景:3D打印钛支架克服了传统钛支架内部结构可控性差及外形不匹配等缺陷,但由于钛的生物惰性较大,使其在植入体内后难以与周围组织快速稳定地结合。目的:采用喷砂酸蚀和阳极氧化方法改性3D打印钛支架表面,观察其对脂肪间充质干细胞黏附、增殖和成骨分化能力的影响。方法:采用喷砂酸蚀联合阳极氧化方法在3D打印钛支架表面构建微纳米多孔结构,扫描电镜观察其表面特征。将第3代大鼠脂肪间充质干细胞分别接种于3D打印钛支架组(A组)、3D打印钛支架+成骨诱导液(B组)、改性3D打印钛支架(C组)上,通过细胞骨架与CCK-8实验检测细胞的黏附和增殖能力,碱性磷酸酶与茜素红染色观察细胞的成骨分化能力,实时定量PCR分析细胞成骨相关基因的表达,免疫荧光染色观察细胞骨钙素与骨桥蛋白的表达。结果与结论:(1)扫描电镜下可见,改性后的3D打印钛支架表面出现微米及亚微米级凹坑和沟槽,内部有直径为70-100 nm的纳米级孔隙,孔隙之间相互连通;(2)共聚焦显微镜下可见,A、B组细胞伪足及触角较少,尚未铺展;C组细胞完全铺展在材料表面,可见大量明显的细胞伪足和触角,紧密附着于材料表面;CCK-8实验显示,改性3D打印钛支架...     

3D打印明胶/海藻酸钠/58S生物玻璃骨缺损修复支架的生物安全性评价北大核心

背景:在组织工程开发的多种生物材料中,明胶、海藻酸钠和58S生物活性玻璃在骨缺损修复中具有良好的生物相容性、适宜的降解性及较佳的成骨诱导性。目的:通过3D打印技术制备明胶/海藻酸钠/58S生物活性玻璃支架,研究其体外性能及生物安全性。方法:将明胶、海藻酸钠和58S生物活性玻璃与去离子水混合并搅拌均匀作为打印墨水,通过3D打印技术完成支架的制备,交联后冻干。(1)体外实验:采用扫描电镜和万能材料试验机检测支架的形态特征和抗压强度;将支架浸入模拟体液中16周,观察其降解速率;采用支架浸提液培养L929细胞3 d,观察细胞形态与生长状况;将支架与大鼠骨髓间充质干细胞共培养0,7,14,21 d,利用CCK-8法检测细胞增殖,DAPI染色观察细胞的黏附与存活,RT-PCR检测成骨相关基因的表达;(2)体内实验:在10只SD大鼠右下颌骨制备直径5 mm的全层骨缺损,实验组5只植入支架,空白组5只未植入支架,术后4周进行肝、肾功能检测、肝肾脑组织学与骨缺损区组织学观察。结果与结论:(1)体外实验:扫描电镜显示支架表面粗糙,呈蜂窝状结构;支架的平均杨氏模量为272.33 MPa;浸泡于模拟体液中前6周时,支架降解较快且速度均匀,第6周后降解速率减慢,仍大致保持均一的降解速率,在16周时降解率达18%;倒置显微镜显示,L929细胞在支架浸提液中生长良好,形态结构完好;随着培养时间的延长,骨髓间充质干细胞的增殖率增加;DAPI染色显示,骨髓间充质干细胞黏附于支架表面生长,由开始的堆积生长逐渐爬行及向四周扩展;RT-PCR检测显示,支架可促进骨髓间充质干细胞骨形态发生蛋白2、骨钙素、RUNX2 mRNA的表达;(2)体内实验:实验组支架植入后未影响大鼠肝、肾功能,未造成肝、肾和脑组织的病理损害;下颌骨骨缺损标本苏木精-伊红染色显示,实验组支架未完全降解,新生骨连接宿主骨与余留支架,新生骨组织周围可见少量成骨细胞浸润及炎性细胞浸润,空白组宿主骨边缘见少量新生骨及大量纤维组织;(3)结果表明,3D打印明胶/海藻酸钠/58S生物活性玻璃骨缺损修复支架的细胞相容性良好,无明显细胞毒性及组织毒性,具有良好的生物安全性。     

促红细胞生成素通过PI3-K/Akt信号通路抑制血管紧张素II诱导的新生大鼠心脏成纤维细胞增殖

目的： 探讨促红细胞生成素（EPO）对血管紧张素Ⅱ(Ang Ⅱ)诱导的心脏成纤维细胞（CFs）增殖的影响,以及磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B（PI3-K/Akt）信号途径和一氧化氮合酶（NOS）的作用。方法: 应用胰酶和胶原酶双酶和差速贴壁法分离培养新生大鼠CFs细胞,应用EPO、Ang Ⅱ、PI3-K抑制剂LY294002、NOS抑制剂L-NAME不同因素干预。细胞计数和MTT法作出CFs的生长曲线,检测CFs的增殖。化学酶法检测CFs培养液中的一氧化氮（NO）浓度以及总NOS和其亚型的活性。Western blotting检测Akt、p-Akt、内皮型一氧化氮合酶（eNOS）和诱生型一氧化氮合酶（iNOS）蛋白的表达。结果: Ang Ⅱ促CFs增殖的作用显著。EPO剂量依赖性的增加CFs培养液中的NO浓度,同时剂量依赖性的抑制Ang Ⅱ诱导的CFs增殖。在给药后第4 d,和单纯的Ang Ⅱ相比,浓度为5×103 U/L、1×104 U/L和2×104 U/L EPO对CFs增殖的抑制率分别达到了24.4％、41.5%和50.5%。EPO显著提高Akt的磷酸化水平,促进eNOS蛋白的表达。应用PI3-K抑制剂LY294002和NOS抑制剂L-NAME均能使培养液中的NO浓度也随之下降,EPO抑制Ang Ⅱ诱导CFs增殖的作用均被阻断。但LY294002同时阻断了eNOS蛋白表达,而L-NAME对eNOS没有影响。结论: EPO可剂量依赖性的抑制Ang Ⅱ诱导的新生大鼠CFs的增殖。其作用机制是通过激活PI3-K/Akt信号途径促使CFs中eNOS表达来促进NO的生成,从而抑制CFs的增殖。     

3D生物打印构建聚乳酸羟基乙酸/纳米羟基磷灰石支架骨形态发生蛋白2缓释复合体的实验研究

BACKGROUND: Tissue-engineered bone scaffold fabricated by 3D-bioprinting technique has good controllability in morphology and structure. However, construction of tissue-engineered bone/cell growth factor complex and time-dose effect of sustained-release factors are needed to be further researched.  OBJECTIVE: To fabricate a sustained-release composite of polylactic-co-glycolic acid (PLGA)/nano-hydroxyapatite (n-HA) scaffold carrying bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) using 3D-bioprinting technique, and test the biological properties of the PLGA/n-HA scaffold carrying BMP-2 and the sustained-release properties, thereby to discuss its feasibility as the tissue-engineered bone scaffold composite.  METHODS: Temperature-sensitive chitosan hydrogel was prepared using chitosan and β-glycerophosphate to construct a sustained-release composite, chitosan nanoparticles carrying BMP-2 . 3D-bioprinting technique was utilized to fabricate the PLGA/n-HA scaffold carrying BMP-2. Biological features of the scaffold composite were tested, and time-dose effect of BMP-2 sustained-release was observed.  RESULTS AND CONCLUSION: The average pore size of the scaffold-cytokine composite was (431.31±18.40) μm, and the porosity was (73.64±1.82)%. The cumulative release rate of BMP-2 from the scaffold-cytokine composite that effectively controlled the burst release during 48 hours and 30 days were suitable for the physiological needs. In conclusion, the porosity, pore size, release property, degradation rate, and mechanical strength of the scaffold-cytokine composite all meet the biological requirements of tissue-engineered bone construction. 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程