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利用生物三维打印技术修复软骨损伤的研究进展

2019-01-03韩倩倩王苗苗史建峰王迎连环王蕊李静莉王春仁

组织工程与重建外科杂志 2019年5期
关键词:软骨纳米支架

韩倩倩 王苗苗 史建峰 王迎 连环 王蕊 李静莉 王春仁

【提要】 软骨组织因缺乏血供,自我修复能力极其有限,导致软骨损伤后难以再生修复。生物三维打印技术突破了传统组织工程技术仿生功能设计的局限性,可一体化成型并精确制备复杂结构,还可以将细胞打印于支架材料中,构建适合细胞生存的微环境,在软骨修复和再生领域具有优势。本文对生物三维打印技术修复软骨的研究进展进行综述。

生物三维打印是三维打印在生物医学领域的一个分支。生物三维打印(Bio-3DP)是采用生物材料、细胞或生长因子等活性物质进行打印,目的是为了构建复杂的生物三维结构,并使其具有生物活性,最终获得与目标组织或生物器官接近、相同甚至更优越的功能。目前,生物三维打印技术主要包括挤出式、低温沉积、细胞打印等[1]。

全球3D 打印行业中,欧美最为发达,美国的3D 打印已形成了产业化[2]。我国政府十分重视3D 打印产业的发展,将其作为《中国制造2025》的重点发展项目之一。2017 年,工业和信息部等12 个部门联合印发 《增材制造产业发展行动技术(2017~2020 年)》,提出至2020 年我国增材制造产业年销售收入超200 亿元,关键核心技术达到国际水平,工艺装备基本满足行业需求,在部分领域实现规模化应用,推进增材制造在各制造领域的示范性应用[3]。但与美国等达国家相比,我国仍处于3D 打印技术的起步阶段,需要进一步突破。

1 软骨修复的重要性及现阶段难点

我国每年因为疾病、意外等导致骨折或骨损伤的人数日益增多,加上物质生活水平的提高,肥胖导致的关节软骨磨损患者也日益增多。软骨中的细胞外基质(软骨基质)富含Ⅱ型胶原蛋白和蛋白多糖,在生理软骨中形成致密的网状物,含有大量的水,产生足够的机械强度[4]。疾病或各种损伤引起的骨、软骨、关节创伤可导致人体功能缺陷,尽管骨组织具有强大的自愈能力,但仅可在一定的缺损范围内发挥作用[5]。软骨组织没有血供系统,只能依赖关节液提供养分,限制了软骨组织的自我修复[6]。

软骨缺损的修复一般采用药物、手术、物理等治疗方法,但均存有不足。例如,药物治疗主要是通过口服或关节腔注射给药,仅可部分减轻因关节软骨损伤而引发的疼痛,总体治疗效果有限,仅对轻度损伤有效,且副作用较为强烈,不适宜长期使用。物理治疗所需时间长且效果有限,与其他方法相比不具有明显优势,一般只作为辅助治疗方法。手术方法种类较多,包括软骨下骨钻孔术、镶嵌成形术、自体骨软骨移植、同种异体移植、异体骨软骨移植、摄取特殊软骨促进自体软骨再生等,其中自体骨软骨移植现被认为是临床治疗的金标准[7]。治疗方法通常根据年龄、性别、受伤部位以及损伤的直径和深度等因素进行选择。许多患者通常需要关节镜手术甚至关节置换术。上述手术方法还存有免疫排斥、术后关节炎症、术后效果不理想等问题。软骨修复至今仍然是临床面对的一个巨大的挑战[8-9]。

上世纪80 年代以来,组织工程技术的迅速发展,为这一难题的解决提供了新的可能性。组织工程从理论上建立了一种治疗软骨缺损的理想方法,但至今仍有部分关键问题亟待解决,还无法真正地应用于临床[10]。

2 生物三维打印技术在软骨修复领域的优势

生物三维打印技术突破了传统组织工程技术生物功能设计的局限性,可精确控制细胞在支架材料中的定点分布,微观上构建具有适合细胞生存的微环境,为细胞提供真正的三维均衡生长环境,使得骨软骨再生成为可能。生物3D 打印技术发展迅猛,在生物医学领域,三维打印技术因其快速成型和构建复杂形状的能力表现出无可比拟的优势[11]。在骨科领域,可将患者虚拟的影像迅速转换成三维实体物件,也可以实现材料结构的个性化定制以及与病变部位的解剖学匹配,已广泛应用于骨科疾病的诊断、治疗和康复。尤为重要的是,三维组装细胞和材料的生物打印技术使组织再生修复更有效率,具有广阔的应用前景[12]。

软骨的修复不仅是软骨层,也包含软骨和松质骨之间的过度结构的修复。生物三维打印可以制备复合材料和梯度成分的多层次复杂结构的支架材料,借助生物三维打印机对损伤部位进行针对性、个性化打印,这种复合梯度材料将有助于软骨的多层结构的修复。与以往的骨及软骨修复材料相比,生物三维打印的骨及软骨的组织工程支架具有生物相容性好、免疫排斥低、精度高等优点,可能是今后临床进行软骨缺损修复的完美手段。

3 利用生物三维打印技术进行软骨修复的生物材料

3.1 天然高分子修复材料

纤维蛋白、Ⅰ型胶原蛋白、Ⅱ型胶原蛋白、藻酸盐、壳聚糖(CTS)、硫酸软骨素、透明质酸、琼脂糖等材料,均具有良好的生物相容性,其降解产物可被机体代谢吸收,但具有降解速率过快、力学强度低等缺点[7]。

3.2 人工合成高分子修复材料

聚己酸内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)、β-磷酸三钙(β-TCP)和羟基磷灰石(HA)等常用于软骨缺损的修复。这类修复材料具有相对分子质量满足不同需求、机械性能优异、生物相容性良好和易塑性等优点,缺点是亲水性较差。

3.3 复合修复材料

复合材料是由具有良好生物相容性的天然高分子材料与具有优异机械性能的人工合成高分子材料制得的复合而成,可以起到优势互补的作用,如聚氨酯/透明质酸、脱乙酰壳聚糖-明胶凝胶支架等[13]。

3.4 纳米材料

纳米相陶瓷、碳纳米管等材料在软骨组织工程的应用已有大量报道。相关研究表明,纳米材料在软骨组织工程领域有着潜在的应用前景。例如,纳米相陶瓷,特别是纳米羟基磷灰石,由于它能促进矿化的形成,而成为骨的替代材料。羟基磷灰石纳米晶体与胶原成分组成的复合材料是最接近天然骨结构的组织工程材料。软骨是由软骨细胞和胶原纤维、蛋白多糖以及弹性蛋白纤维组装的高密度纳米结构的细胞外基质组成,再生能力较低。而纳米技术对传统的软骨组织工程材料进行改造,产生纳米组织工程材料,是生物仿生支架的一种,具有独特的生物学性能。应用在骨和软骨组织工程中的纳米材料不仅需要良好的机械性能,还需具有能提高骨细胞和软骨细胞功能的纳米结构[14]。

4 利用生物三维打印技术修复软骨的国内外研究进展

利用三维打印技术制备软骨修复支架材料是构建人工软骨的核心,也是软骨组织工程领域研究的热点。

4.1 国外研究现状

Yi 等[15]通过整合三维打印技术和组织工程方法,建立了以计算机辅助设计系列程序为基础,生成定制鼻腔植入物的三维模型,并通过3D 打印机进行模型的制作。Liu 等[16]将动态液体静电纺丝制造的取向聚(L-乳酸)-聚(ε-己内酯)P(LLA-CL)/Ⅰ型胶原(Col-Ⅰ)纳米纤维纱网作为冷冻干燥的胶原Ⅰ/透明质酸(HA)软骨相(海绵)的骨架,以提高支架的机械强度。体外结果显示,Yarn Col-I/HA 杂合支架(Yarn-CH)可以象海绵支架一样使细胞浸润。使用多孔β-TCP 作为骨相,然后通过冷冻干燥组装Yarn-CH/TCP 双相支架。结合BMSC 后,双相复合物成功用于修复兔软骨缺损。Yang 等[17]将与海藻酸钠混合的Ⅰ型胶原或琼脂糖掺入软骨细胞以构建体外3D 打印的软骨组织,海藻酸钠/Ⅰ型胶原有效抑制了软骨细胞的去分化,保留了表型。You 等[18]使用补充有热/浸没离子交联过程的3D 生物绘图技术来制造6 种水凝胶支架几何形状,并研究了它们对机械性能的影响。结果表明,水凝胶支架的机械性能可以通过改变内部结构参数来调整,包括股线方向和股线之间的间距。Ahn 等[19]将精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)肽固定在聚丙烯富马酸酯(PPF)支架上,用于调节支架上细胞之间的相互作用。显微镜观察和组织学分析发现,支架上细胞正常增殖,说明具有固定化RGD 肽的基于PPF 的生物相容性支架可有效支持人软骨细胞的初始黏附和增殖。这种3D 生物可印刷支架可提供促进软骨组织再生的机会。Markstedt 等[20]结合纳米原纤化纤维素(NFC)的突出的剪切稀化特性和海藻酸盐的快速交联能力,将其用于具有细胞的活体软组织的3D 生物打印,证明了纳米纤维素在活组织和器官3D 生物打印中的潜在用途。Kon 等[21]等将切碎的自体软骨片段加载到由透明质酸(HA)衍生的膜、富含血小板的纤维蛋白基质(PRFM)和纤维蛋白胶组成的支架上。研究的目的是在体外证明软骨细胞从软骨碎片向这个支架的生长,并在山羊骨软骨缺损中达到功能性修复。

4.2 国内研究现状

王莹莹等[22]构建一种脱细胞软骨/GelMA 复合材料支架用于修复软骨缺损,该材料溶胀率低,力学强度稍强,BMSC能在支架上黏附并增殖;通过可注射型脱细胞软骨/GelMA 复合材料制备的支架具有低免疫原性,适宜的储能模量,良好的生物相容性,适用于软骨修复。毛景洋等[23]发明了一种可直接3D 打印的氢键增强的高强度水凝胶墨水,并且模拟软骨-骨的一体化结构,利用多喷头交替打印制备成底层含有β-TCP、顶部含有若干层负载生长因子TGF-β1 的梯度支架。体内实验表明,该杂化梯度水凝胶支架可同时促进软骨和软骨下骨再生。林祥龙等[24]在压缩应变下,将丝素蛋白/Ⅱ型胶原蛋白复合支架与软骨细胞共培养,结果表明,在10%的压缩应变作用下,软骨细胞在丝素蛋白/Ⅱ型胶原蛋白复合支架上增殖良好,该支架可用于修复软骨缺损。黄彰等[25]将BMSC 诱导的软骨细胞与聚乙醇酸-乳酸共聚物(PLGA)-Ⅱ型胶原支架通过管帽结构复合,构建组织工程软骨复合体,有效修复了兔膝关节骨、软骨损伤,新生软骨、骨与宿主软骨、骨及新生软骨与软骨下骨各界面耦合良好。彭晨健等[26]的研究表明,3D 打印β-磷酸三钙复合淫羊藿苷支架植入股骨头坏死的兔体内,可促进成骨细胞增殖分化、抑制破骨细胞活性,同时促进新生血管生成,具有促进兔股骨头坏死修复的作用。徐燕等[27]的研究显示,采用3D 打印技术制备经多巴胺表面修饰及负载CDMP-1 的PCL-HA 三维多孔支架,体外与hBMSC共培养,可促进细胞黏附、增殖及成软骨分化。阮世强等[28]将双层聚乳酸/聚羟基乙酸共聚物支架材料复合慢病毒介导人骨形态发生蛋白2 转染的兔脂肪干细胞修复骨、软骨缺损。结果可显著促进骨、软骨缺损的修复。

5 总结

生物三维打印为多组分、多梯度的复合材料的制备提供了新的技术方法,同时可以制备复杂结构和个性化结构,为软骨修复提供了新的策略。

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