《Advanced Materials》:生物3D打印技术构建大型自矿化骨类器官
研究概述
大型骨缺损的修复仍然是骨骼组织修复领域的一个重大挑战,现有的临床解决方案存在一些缺陷,例如供体部位有限、疾病传播风险和骨整合不佳。交通大学的Jiacan Su教授团队在《Advanced Materials》(IF:27.4)上发表了“Engineering Large-Scale Self-Mineralizing Bone Organoids with Bone Matrix-Inspired Hydroxyapatite Hybrid Bioinks”;本文研究了利用生物打印技术制造大规模自矿化骨类器官,这些类器官由一种新型的生物墨水制成,该生物墨水由明胶甲基丙烯酸酯/海藻酸盐甲基丙烯酸酯/羟基磷灰石(GelMA/AlgMA/HAP)组成。研究人员发现,这种生物墨水具有良好的打印性能,能够打印出具有精确形状的支架结构,并且具有优异的机械性能和降解性能。此外,这种生物墨水还具有良好的生物相容性,能够促进骨髓间充质干细胞的长期培养和成骨分化,并能够在体外和体内环境中实现自矿化。最终,这些生物打印的骨类器官成功形成了具有多细胞分化和类似骨小梁结构的成熟骨组织。这项研究为骨组织工程领域带来了新的突破,并为临床应用奠定了基础。
生物3D打印在本研究中的作用
生物3D打印技术在本研究中发挥了多方面的作用,不仅实现了大型骨组织的构建,还促进了细胞的增殖和分化,并揭示了骨组织形成的机制,为骨组织工程和再生医学的发展提供了重要的理论和实践基础。
主要内容
细胞相容性和成骨分化
研究揭示了GelMA/AlgMA/HAP生物墨水在骨组织工程中的应用潜力。该生物墨水能够有效负载BMSCs并促进其长期存活和增殖,同时具备良好的生物相容性,并能够诱导BMSCs进行成骨分化,形成具有矿化能力的骨样结构。
自矿化
研究展示了GelMA/AlgMA/HAP生物墨水构建的骨类器官在体外和体内的自矿化过程。体外实验中,GelMA/AlgMA/HAP支架能够发生显著的自矿化,形成类似天然骨的骨样结构。体内实验进一步证实了GelMA/AlgMA/HAP支架能够促进功能性骨骨髓样类器官的形成,该类器官具有多细胞分化、血管形成和骨基质成分,展现出良好的结构和生物功能。
体内成骨分化
研究还展示了GelMA/AlgMA/HAP生物墨水构建的骨类器官在体内的成骨分化过程及其潜在机制。体内实验结果显示,GelMA/AlgMA/HAP支架能够促进骨组织再生,形成富含骨基质和骨细胞的结构,并具有类似天然骨的机械性能。RNA测序分析揭示了GelMA/AlgMA/HAP支架能够上调与成骨分化相关的基因表达,并激活PI3K/Akt信号通路,从而促进BMSCs的成骨分化。
体内治疗运用
后续研究进一步证实了GelMA/AlgMA/HAP生物墨水构建的骨类器官在体内的骨组织再生能力及其潜在机制。体内实验结果显示,GelMA/AlgMA/HAP支架能够促进新骨的形成,提高骨密度和骨体积,并富含骨细胞和骨基质成分,展现出良好的骨组织再生能力。RNA测序分析揭示了GelMA/AlgMA/HAP支架能够上调与成骨分化相关的基因表达,并激活PI3K/Akt信号通路,从而促进BMSCs的成骨分化。
力学性能和结构
研究还给出了GelMA/AlgMA/HAP生物墨水构建的骨类器官在体内的自矿化过程及其结构和细胞特性。体内实验结果显示,GelMA/AlgMA/HAP支架能够发生显著的自矿化,形成类似天然骨的骨样结构,并具有类似天然骨的机械性能。扫描电子显微镜和透射电子显微镜分析表明,GelMA/AlgMA/HAP支架具有类似天然骨的微观结构和细胞特性,包括多孔结构和骨细胞形态。
降解和生物相容性
体内实验结果显示,GelMA/AlgMA/HAP支架在体内能够发生降解,其降解速率略高于体外实验,但总体降解时间在一个月左右。此外,GelMA/AlgMA/HAP支架在体内不会引起免疫反应,具有良好的生物相容性。
总结
这项研究成功开发了一种基于生物墨水3D打印的大规模骨类器官体,该生物墨水由明胶甲基丙烯酸酯/藻酸甲基丙烯酸酯/羟基磷灰石(GelMA/AlgMA/HAP)混合而成。该骨类器官体在体外和体内均表现出优异的成骨分化能力和自矿化特性,能够促进骨组织的再生,并形成类似天然骨的结构和功能。该研究为骨组织工程和再生医学领域提供了新的思路和方法,有望在未来应用于骨缺损修复和再生治疗。
文献原文:10.1002/adma.202309875
文献链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202309875
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