暨南大学:3D打印和静电纺丝构建仿生人工椎间盘支架

3D打印科研前沿
2021
07/29
10:08
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本帖最后由 小软熊 于 2021-7-29 12:12 编辑

来源:永康乐业

椎间盘(IVD)退变是一种严重危害人类健康的临床疾病。组织工程技术为修复和再生受损IVD的生理功能提供了一种很有前景的方法。成功的组织工程化IVD支架应模仿原生IVD组织学和宏观结构。在此,研究者结合3D打印和静电纺丝构建了人工IVD复合支架。聚丙交酯(PLA)用于打印IVD框架结构,定向多孔聚(l-丙交酯)/八臂多面体低聚倍半硅氧烷(PLLA/POSS-(PLLA)8)纤维束模拟纤维环(AF),负载骨髓间充质干细胞(BMSCs)的结冷胶/聚(乙二醇)二丙烯酸酯(GG/PEGDA)双网络水凝胶模拟髓核(NP)结构。形态学和力学性能测试表明IVD支架的结构和力学性能与天然IVD支架相似。该支架的压缩模量约为10MPa,可与天然IVD相媲美,为组织修复和再生提供了良好的机械支撑。同时,支架的孔隙率和力学性能可以通过3D模型设计进行调节。在AF结构中,纤维束呈同心取向,随后的每一层与脊柱成60°,能够承受NP变形过程中产生的张力。在NP结构中,BMSCs均匀分布在水凝胶中,能够保持较高的细胞活力。动物实验结果表明,仿生人工IVD支架能够维持椎间盘间隙并产生新的细胞外基质。这种工程化仿生IVD支架是一种很有前途的生物材料,可用于个性化IVD修复和再生。

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图1.通过3D打印和静电纺丝制备仿生人工IVD支架的过程示意图。

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图2.PLA框架的模型图和实物图。模型I(A)和模型II(B)的总体图。模型I(C)和模型II(D)的单层细节图。根据模型I(E)和模型II(F)制备的PLA框架的照片。

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图3.在IVD高度指数计算中各参数的示意图。

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图4.3D打印IVD支架的形态。(A)支架的宏观侧视图和(B)宏观前视图。(C)NP部分水凝胶的SEM图像。(D-G)PLLA纤维的SEM图像。(H-I)AF部分纤维束的SEM图像。

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图5.(A)不同纤维束的断裂伸长率和拉伸模量。(B)不同结构人工IVD的压缩应力-应变曲线和(C)模量。(D)模型II-3/1.2和II-2/1.2人工IVD支架的圆形压缩曲线。

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图6.SD大鼠人工IVD模型、支架及相关表征结果。(A)鼠尾椎骨的物理图片。(B)3D打印鼠尾盘的立体显微镜观察。(C)双网络水凝胶中加载细胞的活/死染色结果。(D)动物实验中大鼠尾盘的μCT图像。(E)IVD高度指数统计结果。*表示与椎间盘切除组相比,p值<0.05存在显著性差异。

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图7.在偏光显微镜下观察术后1个月和6个月椎间盘切除组、再植入组和生物打印组椎间盘切片的(A-F)H&E染色和(G-L)阿尔新蓝染色图像。

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图8.术后1个月和6个月椎间盘切除组、再植入组和生物打印组椎间盘切片的(A-B)天狼星红染色以及(G-L)在偏光显微镜下观察的天狼星红染色图像。




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