DOI: 10.1039/D0TB00616E
關節軟骨損傷一直是骨科的主要疾病之一。由于軟骨的自我再生能力有限，軟骨修復面臨著長期挑戰。組織工程學為軟骨修復提供了一種新的有效途徑。研究者在此報告了一種3D支架的制備方法，該支架可模擬軟骨的天然結構，首先制備摻入了羥基丁基殼聚糖（HBC）水凝膠（HBC-NF水凝膠）的聚乳酸-乙醇酸（PLGA）電紡納米纖維，然后將水凝膠注入帶有內部微通道的3D打印聚己內酯（PCL）骨架中，以改善機械支撐和物質交換。如此獲得的HBC-NF水凝膠在37℃下具有優異的膠凝特性，膠凝時間不超過15s。隨著納米纖維的摻入，人間充質干細胞（hMSCs）在HBC-NF水凝膠中顯示出良好的增殖。由于添加了納米纖維，HBC-NF水凝膠中的間充質凝縮和基質沉積的相關基因表達水平顯著增加，這表明軟骨分化顯著增強。此外，將HBC-NF水凝膠注入3D打印PCL骨架中，導致形成具有顯著改善機械性能的3D支架。更重要的是，通過PCL和犧牲材料Pluronic F-127的共同印刷，實現了細胞生長以及營養物質和廢物交換的可調內部微通道的構建。具有內部微通道的PCL增強HBC-NF水凝膠支架在體內顯示出增強的軟骨形成和機械性能。總而言之，當前的研究表明，PCL骨架增強的具有可調內部微通道的HBC-NF水凝膠為hMSCs的生長和軟骨分化提供了理想的仿生微環境，在軟骨組織工程中具有廣闊的應用前景。
圖1.（a）PLGA納米纖維和（b）（c）短納米纖維的SEM圖像。（d）以KBr顆粒測量的殼聚糖和HBC的FTIR光譜。（e）HBC在37℃時的凝膠化曲線（上圖），曲線部分放大接近15s（下圖）。
圖2.（a）和（b）HBC、（c）和（d）HBC-NF（2:1）、（e）和（f）HBC-NF（1:1）水凝膠的SEM圖像。
圖3.（a）在37℃下，HBC、HBC-NF（2:1）和HBC-NF（1：1）水凝膠在不同頻率下的動態模量。（b）HBC、HBC-NF（2:1）和HBC-NF（1:1）水凝膠的體外降解曲線。（c）分別暴露于HBC、HBC-NF（2:1）和HBC-NF（1:1）水凝膠提取物的hMSCs的相對活力。（d）分別培養1、3和7天后，用CCK-8法檢測封裝在HBC、HBC-NF（2:1）和HBC-NF（1:1）水凝膠中的hMSCs的增殖。（*p<0.05，**p<0.01）
圖4.（a）在軟骨形成培養基中培養3天后，嵌入水凝膠中的hMSCs中的縮合特異性基因的定量PCR分析。（b）體外培養4周后，在負載hMSCs的水凝膠中，GAG的番紅O染色和Ⅱ型膠原的免疫化學染色。（c）Blyscan法分別檢測HBC、HBC-NF（2:1）和HBC-NF（1:1）水凝膠中產生的GAG含量（按每個樣品的干重標準化）。（*p<0.05，**p<0.01）。
圖5.（a）顯示了使用PCL和Pluronic F-127進行骨架3D打印的示意圖。在該方案中，PCL（棕線）和Pluronic F-127（綠線）被共同印刷以制備骨架。在數碼照片中，骨架由PCL（白線）和Pluronic F-127（藍線）組成。（b）具有內部微通道的PCL-水凝膠支架的3D制備。水凝膠注入后，將Pluronic F-127沖洗掉以形成內部微通道。（c）PCL-水凝膠結構（左）和具有內部微通道結構的PCL-水凝膠支架的顯微圖像（右）。藍色箭頭指示PCL線，紅色箭頭指示微通道。
圖6.（a）體外培養4周后，體內培養1個月，（Ⅰ）PCL-HBC支架、（Ⅱ）具有內部微通道的PCL-HBC支架、（Ⅲ）PCL-HBC-NF（1:1）支架和（Ⅳ）具有內部微通道的PCL-HBC-NF（1:1）支架中GAG的番紅O染色和Ⅱ型膠原的免疫化學染色。（b）皮下植入PCL骨架增強水凝膠支架的小鼠的照片。（c）體內植入一個月后具有內部微通道支架的壓縮模量（*p<0.05）。
