3D打印含氧化石墨烯的仿骨支架

来源：EngineeringForLife  

近期，来自Swiss Federal Institute of Technology in Zurich的Ralph Müller团队在Acta Biomaterialia 上发表了题为“3D Bioprinting of Graphene Oxide-Incorporated Cell-laden Bone Mimicking Scaffolds for Promoting Scaffold Fidelity, Osteogenic Differentiation and Mineralization”的文章。该研究开发了一种氧化石墨烯(GO)/海藻酸盐/明胶复合生物墨水，并用其负载人类间充质干细胞(hMSCs)进行三维仿骨支架的打印。通过对4组不同浓度的氧化石墨烯(GO)水凝胶进行对比实验，证明了骨组织模型在组织工程应用中的潜力。

首先，研究人员通过对复合溶液（GO/海藻酸钠/明胶）进行光学显微镜分析，来观察GO在水凝胶溶液中的分散性。随后对不同GO含量的水凝胶进行了弹性和粘度的流变学测试，从而确定生物墨水的可打印性（图1）。

图1 GO相关表征及流变学特性

其次，研究人员通过分析支架的外观形态（图2）和第1天、第7天和第42天的压缩模量的变化（图3），研究了GO复合支架的打印保真度和力学性能。

图2 生物3D打印无细胞的GO复合支架的形态评估

图3 生物3D打印载细胞的GO复合支架的力学性能评估

为研究打印支架中GO的存在是否影响细胞与材料的相互作用，研究人员通过分析短期和长期培养的hMSCs的细胞活性来判断其生存能力（图4），通过对含有不同浓度GO的水凝胶进行对照实验来评价GO的细胞毒性。

图4 hMSC的细胞活性分析

随后，研究人员针对不同GO浓度对矿物形成和支架保真度的影响进行了研究（图5、图6）。并通过使用茜素红S和H&E对三维细胞支架的ECM矿化和细胞形态进行了评估。结果表明GO的掺入改变了藻酸盐/明胶支架的粗糙度和细胞粘附性能，从而使其中的细胞具有更多的应力纤维（图7）。

图5 从生物3D打印到CT评估全流程示意图

图6 对不同时间点的支架进行CT图像扫描

图7 茜素红S和H&E染色结果

综上所述，研究人员利用生物3D打印技术成功制备了负载细胞的GO/海藻酸盐/明胶复合仿骨支架。通过CT扫描和组织学染色证实了掺入GO可增加支架中矿物质的形成，证明了生物3D打印矿化缺陷支架可被用于体外骨模型、化合物筛选或毒性测试，从而减少相关实验对动物的使用。

参考文献

JianhuaZhang, Hande Eyisoylu, Xiao-HuaQin, Marina Rubert, Ralph Müller. 3D bioprinting of graphene oxide-incorporated cell-laden bone mimicking scaffolds for promoting scaffold fidelity, osteogenic differentiation and mineralization. Acta Biomaterialia. （https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.12.026）