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一種高保真柚皮苷衍生生物墨水加速了軟骨缺損修復(fù)

閱讀:1034      發(fā)布時(shí)間:2022-8-25
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3D生物打印技術(shù)加速了健康科學(xué)研究的發(fā)展,如組織工程與再生醫(yī)學(xué)、藥物篩選和開(kāi)發(fā)等。生物墨水是3D生物打印技術(shù)的基本組成部分,目前廣泛應(yīng)用的生物墨水主要是由明膠、透明質(zhì)酸、海藻酸鹽、絲素蛋白和PEG等常用生物醫(yī)用高分子衍生物構(gòu)成,其種類(lèi)和功能有限,需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和拓展特異性組織再生的醫(yī)用功能化生物墨水。


由植物和微生物產(chǎn)生的天然化學(xué)物質(zhì)具有廣泛的生物活性和高度的立體化學(xué)結(jié)構(gòu),是一種極.具應(yīng)用潛力的醫(yī)療資源。研究發(fā)現(xiàn)天然黃酮糖苷類(lèi)化合物含有至少一個(gè)共軛大π鍵和多個(gè)共軛雙鍵,可以在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)吸收光,因此推測(cè)黃酮糖苷類(lèi)化合物基生物墨水在光輔助打印過(guò)程中或許可以吸收散射光,提高打印產(chǎn)品的形狀保真度。另一方面,黃酮糖苷類(lèi)化合物具有抗氧化、抗炎和抗凋亡特性,被用于治療骨質(zhì)疏松、風(fēng)濕病和神經(jīng)退行性疾病等臨床前研究。然而,由于其生物利用度低,限制了其在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。因此,研究黃酮糖苷類(lèi)化合物衍生物基生物墨水來(lái)提高3D生物打印保真度及黃酮糖苷類(lèi)化合物在組織工程等醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的生物利用度是有顯著科學(xué)意義的。與口服黃酮糖苷類(lèi)藥物相比,3D生物打印黃酮糖苷類(lèi)化合物基生物墨水可將黃酮糖苷類(lèi)分子的生物活性直接傳遞至鄰近細(xì)胞被有效利用。鑒于其有望改善打印保真度、促進(jìn)組織再生修復(fù),將黃酮糖苷類(lèi)化合物基生物墨水稱(chēng)為醫(yī)用生物墨水。

為了驗(yàn)證這一假設(shè)并建立生物活性醫(yī)用生物墨水的研發(fā)方案,湖南大學(xué)劉海蓉教授課題組提出了一種基于柚皮苷衍生物的新型醫(yī)用生物墨水,該生物墨水可顯著提高3D打印保真度,極大地提高了軟骨缺損修復(fù)效率(圖1)。相關(guān)論文在線發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry B》,湖南大學(xué)黃宇婷為本文第一作者,劉海蓉、周征為通訊作者,韓曉筱課題組為本文3D生物打印提供了支持。


圖1 一種可提高3D打印保真度的柚皮苷衍生的生物墨水加速了軟骨缺損修復(fù)。



柚皮苷(NAR)衍生的生物墨水材料(NARMA-GELMA bioink)由甲基丙烯?;制ぼ眨∟ARMA)和甲基丙烯?;髂z(GELMA)組成,在405 nm光照條件下可快速固化成型。圖2結(jié)果證明了植物源活性因子黃酮糖苷類(lèi)化合物柚皮苷和天然高分子明膠的甲基丙烯?;男猿晒?,表明NARMA和GELMA具有光聚合交聯(lián)能力。接著,采用摩方精密nanoArch S140打印機(jī)研究載細(xì)胞生物墨水的生物打印性能,結(jié)果如圖3所示,相比于經(jīng)典的GELMA生物墨水,光固化打印NARMA-GELMA生物墨水結(jié)果表明該生物墨水的生物打印結(jié)構(gòu)完整性好、形狀保真度高,這一優(yōu)異的光固化結(jié)果得益于NARMA在405 nm處有光吸收特性(圖2B)。并且該打印過(guò)程條件溫和,細(xì)胞存活狀態(tài)良好。最后采用兔關(guān)節(jié)軟骨缺損模型驗(yàn)證了NARMA-GELMA生物墨水的軟骨缺損修復(fù)性能,結(jié)果如圖4所示,聯(lián)合自體軟骨細(xì)胞的NARMA-GELMA生物墨水修復(fù)兔關(guān)節(jié)軟骨缺損一個(gè)月后,NARMA-GELMA水凝膠組處理的組織表面光滑、與宿主組織的界面整合程度高、骨軟骨界面清晰,在組織學(xué)層面上形成了大量的軟骨樣陷窩結(jié)構(gòu),分泌了豐富的蛋白聚糖和二型膠原成分。特別是,NARMA-GELMA水凝膠組中軟骨細(xì)胞呈清晰的梯度排列,與天然軟骨相似。表明NARMA-GELMA生物墨水有利于軟骨樣組織的形成,可提高軟骨修復(fù)效率、能有效促進(jìn)體內(nèi)關(guān)節(jié)軟骨缺損再生修復(fù)。該研究拓展了生物墨水材料,為特異性組織再生的醫(yī)用功能化生物墨水的研究提供了一種新策略。


圖2 改性柚皮苷和改性明膠的表征。柚皮苷改性前后的FTIR圖(A)、UV-Vis圖(B)和1H NMR譜(C);明膠改性前后的FTIR圖(D)、UV-Vis圖(E)和1H NMR譜(F)。


圖3 采用摩方精密nanoArch S140打印機(jī)制備由柚皮苷衍生生物墨水和改性明膠生物墨水轉(zhuǎn)化的水凝膠結(jié)構(gòu)。(A)3D生物打印的CAD模型和切片圖案;(B)3D生物打印結(jié)構(gòu)的宏觀照片;(C) 3D生物打印結(jié)構(gòu)的活細(xì)胞熒光染色圖片。


圖4 生物墨水原位修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損一個(gè)月后的大體觀和組織學(xué)染色結(jié)果。(A)大體觀;(B)蘇木素-伊紅染色(H&E);(C)番紅/固綠染色(SO/FG);(D)馬松染色(Masson);(E)二型膠原的免疫組化染色(IHC);(F)ICRS大體觀評(píng)分;(G)O`Driscoll 組織學(xué)評(píng)分。





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