Bioactive Materials
利用物理边界条件引导关节软骨祖细胞的胶原取向

小赛推荐：

本研究创新性地采用嵌入式生物打印技术，通过物理约束调控关节软骨祖细胞（ACPs）的胶原纤维取向，成功构建出仿生的各向异性软骨移植物。该方法无需支架，具有高分辨率打印潜力，为关节软骨组织工程提供了新思路。

 

文献概述

本文《Cell-only bioprinting of articular cartilage progenitor cells within a physically constraining support bath to engineer structurally organized grafts》，发表于《Bioactive Materials》杂志，回顾并总结了利用物理约束支持浴调控关节软骨祖细胞（ACPs）胶原组织取向的研究。文章展示了不同边界条件下胶原沉积与取向的差异，并进一步通过多层打印技术实现了仿生的各向异性软骨结构，为关节软骨工程提供了新的解决方案。

背景知识

关节软骨（AC）具有独特的拱形胶原结构，对其机械性能至关重要。由于其自我修复能力有限，软骨损伤可能导致骨关节炎，当前治疗手段如微骨折或自体软骨细胞移植往往形成无序的纤维软骨，功能较差。组织工程为功能性软骨移植物提供了可能，但关键在于引导胶原纤维的有序沉积。本研究采用ACPs作为细胞来源，因其具有稳定的透明软骨表型。通过嵌入式生物打印技术，使用甲基丙烯酸酯化葡甘露聚糖（XGMA）支持浴，结合外部边界约束，成功实现了胶原纤维的定向排列，为仿生软骨构建提供了新的策略。

 

提供多种疾病相关基因编辑小鼠模型，涵盖肥胖、糖尿病、高尿酸血症等代谢疾病，支持个性化实验方案定制，适用于代谢性疾病研究、药物筛选及临床前药效评价。

了解更多

 

研究方法与实验

研究团队首先从山羊关节软骨中分离ACPs，并通过差异黏附法将其与软骨细胞区分。随后，使用氧化藻酸盐（OA）作为生物墨水，将ACPs封装于不同宽度（250、500、750 μm）的琼脂糖通道中，观察边界宽度对胶原取向的影响。此外，采用XGMA支持浴进行细胞打印，进一步验证其在引导胶原取向中的作用。通过SEM、偏振光显微镜、免疫组织化学和生化分析，评估组织生长、胶原沉积、细胞活性及基因表达。

关键结论与观点

• ACPs在薄边界条件下（250 μm）表现出更高的胶原取向度和基质合成能力，较厚通道（750 μm）则胶原取向性降低。
• 嵌入式生物打印结合XGMA支持浴可有效提供物理边界条件，引导细胞沿打印方向排列，形成平行或垂直的胶原纤维结构。
• 通过调控边界宽度和打印速度，成功构建出具有多层结构的移植物，上层为水平纤维，下层为垂直纤维，形成类似天然关节软骨的拱形胶原结构。
• 该方法无需支架，仅依赖高密度细胞打印，且形成的组织无钙化迹象，维持稳定的透明软骨表型。

研究意义与展望

本研究为软骨组织工程提供了新的打印策略，通过外部边界条件调控胶原取向，有望提高移植物的机械性能。未来研究将优化支持浴降解时机，实现边界融合，同时进行更深入的机械性能测试。此外，将探索该技术在疾病模型或药物筛选中的潜在应用，进一步拓展其在生物医学工程中的用途。

 

提供多种神经退行性疾病、神经发育疾病相关基因编辑及诱导模型，涵盖阿尔茨海默症、帕金森症、肌萎缩侧索硬化症等，适用于神经科学研究、基因治疗及药物开发。

了解更多

 

结语

本研究提出了一种基于物理边界调控的细胞打印策略，成功引导关节软骨祖细胞形成具有各向异性胶原结构的软骨移植物。该方法利用XGMA支持浴作为物理约束，无需支架即可实现高分辨率打印，并在组织结构和功能上接近天然关节软骨。未来可结合基因编辑或疾病模型，进一步提升移植物的生物功能，为软骨再生与疾病研究提供新工具。

 

Aliaa S Karam, Gabriela S Kronemberger, Kaoutar Chattahy, and Daniel J Kelly. Cell-only bioprinting of articular cartilage progenitor cells within a physically constraining support bath to engineer structurally organized grafts. Bioactive Materials.