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  膝關(guān)節(jié)軟骨的損傷是常見的運(yùn)動(dòng)損傷，容易進(jìn)一步發(fā)展為骨關(guān)節(jié)炎。由于關(guān)節(jié)軟骨的自我修復(fù)能力有限，其修復(fù)具有很高的挑戰(zhàn)性。當(dāng)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(shù)存在明顯的缺陷。關(guān)節(jié)軟骨的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成沿軟骨軸變化，具有區(qū)域分層的特征，具體體現(xiàn)在每個(gè)區(qū)域的基質(zhì)排列與機(jī)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(qū)域的細(xì)胞和基質(zhì)的分布。當(dāng)前，基于支架（scaffold-based）的軟骨組織再生與修復(fù)已有深入的研究。然而，支架中的低細(xì)胞密度限制了細(xì)胞的相互作用和信號(hào)傳遞， 不利于具有各向異性的生物與機(jī)械特性的關(guān)節(jié)軟骨的形成。

  針對(duì)這一局限，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）吳洋助理教授與美國賓州州立大學(xué)Ibrahim Ozbolat教授團(tuán)隊(duì)結(jié)合無支架（scaffold-free）組織束打印與區(qū)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(zhì)性。 該研究利用由人脂肪干細(xì)胞分化而來的軟骨細(xì)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(xì)胞及基質(zhì)組成，不含生物材料，并且具有良好的打印性能與機(jī)械穩(wěn)定性，可快速自融合成大尺寸的組織。

圖1：區(qū)域分層人工軟骨的打印過程，包括細(xì)胞培養(yǎng)、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(xì)胞團(tuán)塊被注射到空心的藻酸鈉管中，通過細(xì)胞聚集形成組織束。人工軟骨的下層結(jié)構(gòu)利用吸取式生物打印技術(shù)（aspiration-assisted bioprinting）在針陣列上對(duì)組織束進(jìn)行垂直打印實(shí)現(xiàn)，上層結(jié)構(gòu)利用擠出式生物打印技術(shù)（extrusion-based bioprinting）對(duì)組織束進(jìn)行水平打印實(shí)現(xiàn)。兩層組織束在打印后進(jìn)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(shù)打印上層軟骨，（b）利用吸取式生物打印技術(shù)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(guān)節(jié)軟骨數(shù)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(shí)，細(xì)胞與膠原纖維在下層區(qū)域也體現(xiàn)出了垂直排列，在上層區(qū)域沿水平方向排列，與真實(shí)軟骨具有一致的解剖學(xué)特征。該工作為軟骨組織的修復(fù)提供了一個(gè)閉環(huán)策略，即利用手術(shù)廢物（脂肪組織）的自體干細(xì)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(fù)。

圖3：區(qū)域分層人工軟骨的形貌、細(xì)胞與膠原纖維的排列情況，以及與人體真實(shí)軟骨組織的比較

  以上成果發(fā)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(yè)大學(xué)（深圳）吳洋助理教授，共同通訊作者為美國賓州州立大學(xué)Ibrahim Ozbolat教授。

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