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摘要:骨-韧带界面的构建采用了多种策略,这对组织再生和了解界面再生机制都有重要价值。然而,如何总结天然骨-韧带界面的复杂性和异质性,包括结构、细胞和力学梯度,仍然是一个挑战。在这项工作中,提出了一种通过熔融静电纺丝写入(MEW)制作的仿生网格卷曲微图案,以模拟骨-韧带界面的天然结构。开发了卷曲纤维微图案的打印策略并优化了工艺参数,用于模拟韧带中胶原纤维的卷曲结构。研究了卷曲角和纤维间距对成纤维细胞取向的导向作用,两者都表现出不同程度的细胞排列效果。

 

研究背景:迄今为止,韧带损伤的临床治疗和韧带到骨连接的再生在矫形医学中仍然具有挑战性。因此,体外构建骨-韧带界面结构不仅对组织移植物的开发和受损界面的再生具有重要价值,而且有助于更好地理解结构-功能关系和界面再生的机制。


研究亮点熔体静电纺丝书写(MEW)是一种新兴的3D打印技术,通过控制打印板块来制作具有预定几何形状的微纤维图案.由于它的多功能性,已被广泛用于制造各种组织工程应用的结构和支架。考虑到 MEW 的打印灵活性,MEW 打印卷曲纤维的可行性,以及新网格结构在成骨方面的优势。本研究中用 MEW 制作了一种生物启发的网格卷曲微图案,用于模拟天然骨-韧带界面结构。首先,开发并优化了一种新的基于卷曲纤维的书写方法。

 

首先选择16 kPa 的气压和 7mm/s 的收集器速度来印刷以下卷曲图案。不同预设卷曲角的卷曲纤维微图案从 0°到30°制造的卷曲纤维具有与韧带中的体内天然胶原纤维相当的参数 ,暗示了新模型的良好借鉴意义用于模仿韧带结构的卷曲纤维图案。为了研究卷曲角对细胞取向的影响,NIH/3T3 成纤维细胞分别在卷曲角为0°,10°,20°和 30°的微图案上培养,并在培养 2 天 后通过细胞骨架免疫染色进行表征。(如图1所示)表明直纤维和卷曲纤维对细胞取向和形态有明显的导向作用。通过测量细胞的取向角,即细胞核方向和纤维主方向之间的角度,进一步定量评估排列。统计结果表明,细胞取向角和纤维卷曲角表现出良好的一致性


在我们的研究中,优化新的加工参数后,可以获得纤维间距小至 50 μm 的改善的卷曲纤维微图案,这将更有利于细胞排列,NIH/3T3 细胞的骨架对纤维间距为 50、100 和 200 μm 的卷曲微图案表现出不同程度的排列。随着纤维间距变大,观察到微图案的细胞排列效果减弱。正如所料,纤维间距为 50 μm的微图案比间距为 100μm和 200 μm的微图案对细胞取向显示出最强的导向作用。采用优化的工艺参数可以成功地制备出具有不同卷曲角(0 –30° )°和纤维间距(50–200μm)的新型卷曲纤维微图案,这两种微图案对细胞取向的引导都有一定的影响。

 

将上述制备的具有不同纤维间距的网格微图案用于培养人成骨细胞 Saos-2 细胞。图3 (A)显示了 7 天和 14 天后的代表性 ALP染色图像成骨诱导。纤维间距为 50μ m 的新网格微图案导致 ALP 的显著最高表达,并且各组中 ALP 的表达随时间增加。与对照相比,新的网格微图案显示出更大的矿化和更好的成骨活性,特别是具有 50 μm 纤维间距的图案,这可归因于微图案的 3D 形貌和由此增加的细胞生长比表面积。而且新型网格卷曲管状支架就能够满足天然骨-韧带界面组织的形态和力学要求,显示出用于骨-韧带界面组织工程的良好潜力


结论:MEW成功地制造了网格卷曲多相微模式,以模拟天然骨-韧带界面的结构。开发了制造卷曲纤维微图案的策略优化了包括气压和收集器速度在内的参数。制备了纤维间距为 50-200 μm 的网格微图案,并且显示出比对照更好的成骨活性,尤其是间距为 50 μm 的图案。将具有不同纤维间距的网格卷曲微图案用于 NIH/3T3 细胞 和Saos-2 细胞的共培养,细胞迁移结果表明较小的纤维间距导致更快的迁移速度和更早的细胞在界面区域相遇。通过卷起新的网格卷曲微图案,最终生成了 3D 管状三相支架,显示了与天然骨-韧带组织的结构和力学相似性,这有望在我们未来的研究中用作体内骨-韧带界面再生研究的新型支架。 

本文由轻子纳米团队在《Biofabrication》期刊上发布的最新研究。生物打印材料在未来的医学临床使用上具有广阔的应用前景。由轻子纳米研发的近场静电直写设备M08-001,通过近场直写静电纺丝技术可制备高度取向的纳米纤维,可实现溶液近场纺丝或熔体近场直写,可打印用于血管修复、皮肤修复、生物补片等生物组织修复材料,应用广泛。拥有独家专利技术,打印精度可达纳米级,是一款微纳米制造利器

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标题:可用于骨-韧带界面的构建的新型3D打印技术—MEW

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