文獻信息

上海市第九人民醫院整形與重建外科心內科上海市組織工程重點實驗室、東華大學材料科學與工程學院功能材料研究所、山東大學齊魯醫院骨科等單位的研究成果“3D Printed Chondrogenic Functionalized PGS Bioactive Scaffold for Cartilage Regeneration(3D打印軟骨功能化PGS生物活性支架用于軟骨再生)在雜志ADVANCED HEALTHCARE MATERIALS(IF:10)上發表。平生公司的桌面型顯微CT(VENUS)在論文中提供了重要的兔關節軟骨圖像和定量分析。 

該研究的通訊作者為上海交大雷東、周廣東教授、東華大學游正偉教授。

文獻摘要

組織工程是軟骨再生和修復的一種很有前途的方法。賦予支架軟骨生物活性以獲得仿生微環境，調控支架降解與再生的匹配，在軟骨再生中起著至關重要的作用。聚甘油癸二酸酯(PGS)是一種典型的熱固性生物彈性體，以其彈性、可生物降解性和生物相容性而聞名，在組織工程中得到了廣泛的應用。然而，由于其高溫固化條件和有限的反應基團，PGS支架的修飾和藥物負載仍然是一個關鍵的挑戰，嚴重阻礙了其進一步的功能應用。在這里，提出了一種簡單通用的超級膨脹吸收和交聯網絡鎖定新策略，首次成功創建了基于FDA批準的PGS，明膠(Gel)和硫酸軟骨素(CS)3D打印PGS-CS/ Gel支架。PGS-CS/Gel支架具有良好的層次結構、良好的彈性、親水性和軟骨生物活性等協同特性，可促進軟骨細胞的粘附、增殖和遷移。重要的是，軟骨再生的速度可以與PGS-CS/Gel支架的降解很好地匹配，獲得均勻成熟的軟骨組織，無支架殘留。該生物活性支架能成功修復兔滑車溝缺損模型軟骨，具有良好的臨床應用前景。

實驗方法

關節軟骨缺損的修復

兔滑車溝模型:采用兔滑車溝缺損模型，探討PGS-CS/Gel生物活性支架的應用可行性。8只新西蘭大白兔(3月齡，平均體重2.5kg)肌內注射麻醉。簡單地說，在兔左腿上切開皮膚，暴露滑車溝，用電鉆制造全層圓柱形軟骨缺損(直徑4mm，深度3mm)。將PGS-CS/Gel和PGS支架植入關節軟骨缺損，并縫合皮膚，關閉切口。未處理組的家兔對缺陷不進行任何額外的處理。12周后處死所有家兔，采集敏銳標本。

 顯微CT檢查:采集的敏銳標本進一步使用顯微CT (VENUS, Avatar3，平生醫療科技有限公司)進行分析，包括三維重建和截面評估。關節樣品的顯微CT圖像已被偽色，使修復組織呈現綠色，缺陷區域呈現藍色。

實驗結果

顯微CT檢查分析與大體觀察和ICRS評分結果一致。頂部(3D)和橫截面(2D)的結果清楚地顯示，與PGS和PGS-CS/Gel組相比，未經治療組軟骨和軟骨下骨區域仍然是空的，修復后的骨組織與鄰近組織的融合最差(圖6B，C)。雖然PGS組再生的軟骨組織與PGS-CS/Gel組相似，但在修復的軟骨下骨組織質量，包括均勻性、密度、與周圍組織的結合程度等方面仍不如PGS-CS/Gel組。立即從顯微CT檢查的橫截面上評價關節軟骨缺損修復的定量分析完全符合上述分析。PGS-CS/Gel生物活性支架修復組織面積百分比高于PGS組和未治療組(未治療組:45.62±6.44%，PGS組:66.99±5.09%，PGS-CS/Gel組:76.01±3.94%，圖6D)。

圖6 術后12周全層關節軟骨缺損的特征分析。A)術后12周修復后關節軟骨大體圖。B)修復后關節軟骨顯微CT檢查的(3D)和橫切面(2D)。D)修復組織面積與顯微CT檢查橫切面缺損區域的比較。Q)通過SO/FG染色對比修復軟骨與相鄰正常軟骨的厚度。* p<0.05。

文獻結論

在本研究中，作者采用復合油墨的溶劑塑化方法，連續快速大規模3D打印PGS支架。這項改進的技術顯示了3D打印PGS支架在批量生產和進一步轉化應用方面的巨大潛力。針對熱固性PGS生物彈性體在生物活性修飾方面面臨的挑戰，作者開發了一種超膨脹吸收和交聯網絡鎖定的新策略來制備凝膠化修飾和硫酸軟骨素負載的生物活性復合支架。重要的是，這種方法簡單、高效、通用性強，可以很容易地應用于其他天然生物材料或藥物，以構建生物功能的基于PGS的支架，用于特定組織再生。

 PGS-CS/Gel支架具有良好的組織結構、良好的彈性、較好的親水性和軟骨生物活性等協同性能。仿生微環境可以調節和促進軟骨細胞的粘附、增殖、遷移和ECM分泌等軟骨再生行為。有趣的是，改進后的再生可以很好地匹配PGS材料降解，僅在植入4周內獲得滿意的軟骨組織，無支架殘留。作為軟骨功能化的PGS-CS/Gel生物活性支架的初步應用，可成功修復關節缺損的軟骨和軟骨下骨，臨床轉化前景廣闊。

使用設備

Micro CT（型號：VENUS）（平生醫療科技）

                                                     影像軟件：Avatar（平生醫療科技