苏佳灿教授团队最新《Small》综述：3D生物打印构建关节类器官策略与应用
时间:2023-10-20 09:48 来源: EngineeringForLife 作者:admin 点击:次
| 骨关节炎（OA）是一种长期发展的疾病，主要侵袭成年人，引发疼痛和功能障碍，全球大约有三亿人受其影响。OA的核心问题在于软骨遭受损害，包括细胞炎症和细胞外基质（ECM）的破坏。由于软骨组织缺乏血管和神经，其自我修复能力有限。再加上关节软骨具有独特的生物学特性和机械结构，使得对其进行重建和修复成为一项巨大的挑战。近年来，类器官技术成为软骨修复的新兴策略之一。类器官是由体外培养的干细胞构建的三维（3D）组织结构，能够模拟相应器官的组织和功能，为研究和开发提供了生理学相关的平台。构建关节类器官有助于模拟关节内的微环境，创建骨关节炎和类风湿关节炎等疾病模型，同时也可用于测试关节植入物的药物筛选和生物材料评价。 由于软骨代谢机制的复杂性以及对机械强度的高需求，与其他软组织的类器官相比，关节类器官的研究周期更长且具有挑战性。因此，目前对于关节类器官构建的研究仍然相对有限，仍是一个充满挑战的研究领域。近年来，3D生物打印和再生医学的发展为解决这些挑战提供了新的机会。3D生物打印具有高通量、高精度和自动化等优势，可以制造具有复杂结构的关节类器官，更好地模拟真实关节的微环境。 近期，上海交通大学新华医院/上海大学转化医学研究院苏佳灿教授团队从3D建模、打印方式、生物墨水和培养条件四方面总结了构建关节类器官的方法。他们特别强调了3D生物打印在这一领域的相关研究，提出了关节类器官构建的阶段性策略，为该领域的研究提供了新的思路。该综述文章以"Small joint organoids 3D bioprinting: Construction strategy and application"为题，发表在《Small》期刊。苏佳灿教授、上海大学任肖湘助理研究员与西安红会医院周凤金教授为文章的共同通讯作者。 1. 关节组织的生物学结构 以膝关节为代表的关节在解剖学上通常分为三个组成部分:关节面、关节囊和关节腔。关节面是关节头与关节窝相邻的表面，由关节软骨覆盖。关节囊具有外纤维层和产生滑液的内滑液层，可以帮助减少摩擦。髌下脂肪垫将关节囊的纤维层与滑膜层分开，并将后者推向关节软骨表面。关节腔是由关节软骨和关节囊包围的狭窄空间。软骨退变是许多关节疾病的共同特征，但组织的相互关联性不可避免地导致其他关节成分的致病性改变，如滑膜炎、髌下脂肪垫炎症或软骨下骨重塑。因此，作者也重点讨论了关节软骨、滑膜和髌下脂肪垫等三个部分，其中关节软骨可以分为透明软骨、钙化软骨和软骨下骨。它们是关节的基本组成部分，对关节的健康和功能起着至关重要的作用。 
图1 关节的生理学结构
2. 3D打印技术 (1) 喷墨打印 3D喷墨打印是一种与传统喷墨打印机原理相同的方法，利用声波或热量来制造生物材料的液滴，从而形成所需的形状。这种技术可分为两类，声学喷墨打印和热敏喷墨打印。声学喷墨打印机的主要优点是它避免了对生物材料使用热量和压力，减少了喷嘴堵塞的可能性。然而，可以打印材料的粘度是有限的。热喷墨打印机的优点，如打印速度快，易于控制和广泛的适用性。 (2) 挤压式打印 基于挤压的打印是一种常见的3D生物打印方法，允许打印具有不同粘度和高密度聚合物的各种水凝胶聚合物溶液。这种印刷技术使用柱塞、旋转或气动压力将材料挤出喷嘴。与其他方法相比，机械驱动的方法提供了更好的流量调节，从而提高了打印精度。但是挤压压力太大会对细胞活性产生负面影响。 (3) 激光辅助打印 激光辅助生物打印使用双层结构，可以对激光刺激做出反应。它由上面的能量吸收层和下面的生物墨水溶液层组成。激光脉冲聚焦在吸收层上，导致下层形成高压液体气泡。然后将混合了细胞的生物墨水喷射到打印平面上。激光辅助打印种细胞更加活跃，并且具有非常高的打印分辨率，甚至可以打印单个细胞。然而，由于高精度激光器的高成本，这些打印机并没有广泛应用于实验室。 (4) 光固化打印 光固化打印是一种广泛使用的3D打印方式，特别是在软骨和骨修复领域。这些打印方式利用光诱导聚合从一桶树脂中制造出三维结构。它可以分为几种不同类型的光固化3D打印技术，如立体光刻技术(SLA)，数字光处理(DLP)和液晶显示技术(LCD)，每一个都有自己独特的特点。与其他打印方法相比，光固化生物打印相对较快，并且细胞存活率高，因为在打印过程中不需要对材料施加机械力。 
图2 四种不同的打印方式
图3 几种不同的生物墨水
表1 几种不同生物墨水的优缺点和应用 (责任编辑：admin) |
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