供稿人:孟子捷 贺健康 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2020-12-12
关节软骨是一种高弹性的具有高度规则结构的承力组织。然而，它对创伤、衰老和疾病造成的损伤仅有非常有限的愈合能力。为制造恢复受损组织功能的生物替代品，干细胞通常被植入水凝胶基质中，用于复制软骨组织细胞外基质的某些特性并支持软骨形成。但由于水凝胶的力学性能较差，很难满足软骨组织工程的要求。3D打印技术可以用来制备用于软骨修复的孔隙可控的机械性能稳定的可降解支架。基于上述两种方案的优势，解放军总医院的Xu Yichi 团队提出将电喷制备的载干细胞海藻酸-明胶微球与3D打印聚己内酯支架相结合，形成一种具有既具有机械稳定性又具有生物活性的支架。
Xu Yichi等研究人员采用电喷法制备了海藻酸（Alg）-明胶（Gel）微球，并以尺寸、圆度和分布为指标优化了工艺参数。结果发现，A型Gel由于粘度较低，和1.5% Alg混合后无法形成独立的电喷微球。而B型Gel的浓度为0.5%时，可以形成圆度较好的Alg-Gel微球。当Gel的浓度进一步提高时，微球形状变得不规则。3% 的 CaCl2和1% CaCl2的相比能够形成更加圆的微球，因此后续的实验均选择3% 的 CaCl2作为接受溶液。通过提高电压、减少流量，能够实现微球尺寸从310μm减小到240μm。作者进而将干细胞悬浮于Alg-Gel溶液中，应用优化后的参数制备了历经250μm左右的在细胞微球（如图一所示）。
图1 Alg-Gel微球的光镜图像（A）无细胞（B）负载hBMSCs；（C）负载或不负载细胞的水凝胶微球的圆度；（D）细胞对粒径大小及分布的影响。
作者通过结构设计使3D打印的聚己内酯支架具有较密的底层用以防止填充的微球渗漏，实现了微球在支架内部的组装并进行了长达14天的体外培养。在第0天所有细胞都表现出相似的细胞活性（图二）。而随着时间的延长，Alg微球中的细胞死亡明显增加。Gel的加入提高了细胞的活性，而种植在支架内部的微球中的细胞表现出更高的活性。
图2 培养在培养皿、支架中的微球内的细胞活性表征
电喷制备的Alg-Gel水凝胶微球具有优良的生物相容性并促进了干细胞的增殖。Alg-Gel的材料组分能够维持hBMSCs的高活性，并且支持细胞在体外的软骨分化。载细胞的微球能够种植组装载3D打印的PCL支架中并置于3D生物反应器培养，生化指标与基因表达的结果显示hBMSCs具备软骨的基因表型。