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  膝關節軟骨的損傷是常見的運動損傷，容易進一步發展為骨關節炎。由于關節軟骨的自我修復能力有限，其修復具有很高的挑戰性。當前臨床治療方法包括微骨折、 自體或同種異體骨軟骨移植等，這些技術存在明顯的缺陷。關節軟骨的結構和物質組成沿軟骨軸變化，具有區域分層的特征，具體體現在每個區域的基質排列與機械性能的差異。生物3D打印具有制備組織工程軟骨的能力，可以控制不同區域的細胞和基質的分布。當前，基于支架（scaffold-based）的軟骨組織再生與修復已有深入的研究。然而，支架中的低細胞密度限制了細胞的相互作用和信號傳遞， 不利于具有各向異性的生物與機械特性的關節軟骨的形成。

  針對這一局限，哈爾濱工業大學（深圳）吳洋助理教授與美國賓州州立大學Ibrahim Ozbolat教授團隊結合無支架（scaffold-free）組織束打印與區域分層打印的概念，提出 一種新穎的軟骨組織生物打印的方法，以模擬軟骨組織的異質性。 該研究利用由人脂肪干細胞分化而來的軟骨細胞制備組織束，作為生物打印的墨水。組織束僅由密集排列的細胞及基質組成，不含生物材料，并且具有良好的打印性能與機械穩定性，可快速自融合成大尺寸的組織。

圖1：區域分層人工軟骨的打印過程，包括細胞培養、組織束制備與人工軟骨的分層打印

  在人工軟骨的打印過程中，細胞團塊被注射到空心的藻酸鈉管中，通過細胞聚集形成組織束。人工軟骨的下層結構利用吸取式生物打印技術（aspiration-assisted bioprinting）在針陣列上對組織束進行垂直打印實現，上層結構利用擠出式生物打印技術（extrusion-based bioprinting）對組織束進行水平打印實現。兩層組織束在打印后進行自融合形成完整的人工軟骨。

圖2：人工軟骨的分層生物3D打印。（a）利用擠出式生物打印技術打印上層軟骨，（b）利用吸取式生物打印技術打印下層軟骨，（c）上下層軟骨組織的自融合

  該生物打印軟骨的壓縮模量約為1.1 MPa，與人體關節軟骨數值相似。組織切片顯示人工軟骨的上層和下層組織融合良好，組織束在上層沿水平方向排布，在下層沿垂直方向排布。同時，細胞與膠原纖維在下層區域也體現出了垂直排列，在上層區域沿水平方向排列，與真實軟骨具有一致的解剖學特征。該工作為軟骨組織的修復提供了一個閉環策略，即利用手術廢物（脂肪組織）的自體干細胞制備具有高度解剖相似性與臨床可用的大尺寸組織替代物，用于同一病人的受損組織修復。

圖3：區域分層人工軟骨的形貌、細胞與膠原纖維的排列情況，以及與人體真實軟骨組織的比較

  以上成果發表在Advanced Healthcare Materials (DOI: 10.1002/adhm.202001657)上。論文的第一/通訊作者為哈爾濱工業大學（深圳）吳洋助理教授，共同通訊作者為美國賓州州立大學Ibrahim Ozbolat教授。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adhm.202001657