生物3D打印！細胞膠囊遞送策略實現(xiàn)軟骨缺損修復

更新時間：2025-09-12

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組織工程學與3D打印生物墨水的發(fā)展為組織再生提供新思路。但當前生物墨水存在功能單一、適配性不足等問題，難以滿足病理微環(huán)境下缺損修復的難題。開發(fā)藥物遞送生物墨水或許可以針對不同病理微環(huán)境進行治療，但藥物與遞送材料進行物理共混會導致藥物突釋和細胞刺激，而化學接枝可能會破壞藥物的官能團，降低其藥理活性；自組裝的納米顆粒和微球往往面臨體內(nèi)難以降解的風險。

為了解決這一問題，湖南大學劉海蓉、周征團隊開發(fā)了一種細胞膠囊遞送策略，以關(guān)節(jié)軟骨損傷作為實驗?zāi)Ｐ?，氧化?yīng)激環(huán)境作為病理模型，開發(fā)載安石榴苷細胞膠囊多功能生物墨水。該生物墨水具有加速軟骨再生、抗氧化、抑菌等功能，在組織工程與臨床應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。該研究以題為“Cellular Capsule Delivery Bioink with Punicalagin-Loaded Chondrocyte Membrane Vesicles for Tissue Engineering Therapy"的論文發(fā)表在國際期刊《Advanced Functional Materials》上，碩士研究生于夢依為第一作者。

關(guān)節(jié)中受損軟骨的修復是臨床治療面臨的一大挑戰(zhàn)，因為病理狀況會阻礙由炎癥因子和活性氧（ROS）引起的軟骨再生。為了解決這一難題，作者開發(fā)了一種細胞膠囊遞送生物墨水。通過丙烯酸酯-聚（乙二醇）-琥珀酰亞胺酯（AC-PEG-NHS）修飾軟骨細胞膜囊泡（CMVs），并在其內(nèi)部負載多個反應(yīng)性羥基的安石榴苷，制備成細胞膠囊。這些膠囊與甲基丙烯酰化絲膠（SerMA）結(jié)合，形成光固化生物墨水前體，該前體不僅表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化性能，還具有顯著的抗菌活性和強大的軟骨保護效果。研究使用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)打印的所有結(jié)構(gòu)都保持了高形狀保真度，并維持了良好的細胞活力和活性。

圖1. 細胞膠囊遞送生物墨水制備與應(yīng)用的示意圖。

負染色TEM 圖像顯示囊泡表現(xiàn)出特征性的雙層杯狀結(jié)構(gòu)，尺寸約為100 nm。核磁共振氫譜出現(xiàn)特征峰表明AC─PEG─NHS 修飾的 mCMVs的制備成功。通過將天然抗氧化劑安石榴苷負載到 mCMVs內(nèi)部制備PUN@mCMVs納米粒。TEM 圖像顯示 mCMVs的杯狀結(jié)構(gòu)被密封，藥物成功加載到 mCMV 內(nèi)部。通過免疫熒光染色在軟骨細胞表面觀察到與細胞整合作用相關(guān)的特定蛋白質(zhì)，包括 CD44 、整合素 α 1、整合素 β 1 和 E-鈣粘蛋白。且細胞可以攝取PUN@mCMVs，細胞膠囊制備成功。

圖2. PUN@mCMVs細胞膠囊的制備和表征。

其中 PUN8@SerMA-mCMVs 水凝膠的增殖促進細胞增殖作用最高。且PUN8@SerMA-mCMV 組表現(xiàn)出更典型的軟骨腔隙結(jié)構(gòu)和更顯著的細胞外基質(zhì)分泌，蛋白多糖沉積增強，軟骨細胞分泌 COL II 增加。軟骨損傷部位的 ROS 過度積累經(jīng)常導致氧化應(yīng)激，從而抑制細胞增殖，降解細胞外基質(zhì)，并破壞內(nèi)源性組織修復過程。安石榴苷中的 17 個活性酚羥基充當氫原子供體，中和自由基并形成穩(wěn)定的非自由基物質(zhì)。這個過程終止了自由基鏈式反應(yīng)，從而減緩或防止對細胞和組織的氧化損傷。因此，PUN8@SerMA-mCMVs 的抗氧化活性可能支持細胞增殖和軟骨再生。實驗結(jié)果表明，細胞膠囊水凝膠具有顯著的自由基清除活性，能夠有效清除細胞內(nèi)的多余活性氧，顯著上調(diào)編碼抗氧化金屬酶的 SOD1 和 SOD2 和下調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶 MMP-3 和 MMP-13 的表達，從而來保護軟骨細胞免受細胞炎癥引起的氧化應(yīng)激。PUN8@SerMA-mCMV 細胞膠囊水凝膠表現(xiàn)出的抑菌活性，能夠明顯抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的活性，這可能有利于3D生物打印和組織工程的整個過程。

采用摩方精密nanoArch^® S140（精度：10 μm）3D打印機測試細胞膠囊遞送生物墨水的打印能力，并將軟骨細胞負載到PUN8@SerMA-mCMV 生物墨水中。實驗表明，生物墨水打印的水凝膠產(chǎn)品表現(xiàn)出優(yōu)異的可打印性和形狀保真度。生物3D打印后，封裝在打印水凝膠中的軟骨細胞表現(xiàn)出高細胞活力。這些結(jié)果表明，細胞膠囊遞送生物墨水 PUN8@SerMA-mCMVs適用于 3D 生物打印和組織工程應(yīng)用。

圖3. PUN@SerMA-mCMVs生物墨水的DLP生物打印。

PUN8@SerMA-mCMV 生物墨水在SD大鼠體內(nèi)促進軟骨缺損修復。結(jié)果表明，與空白組相比，實驗組新軟骨覆蓋原始缺損區(qū)域，并與周圍的正常軟骨組織高度融合，具有最高的組織學評分，micro-CT表明新生軟骨已經(jīng)填充了缺損，修復區(qū)域的表面相對平坦。組織學染色實驗表明，在 PUN8@SerMA-mCMVs 組中，軟骨細胞增殖并整齊排列，表現(xiàn)出特征性的軟骨腔隙和層狀結(jié)構(gòu)，具有最小的不全修復組織。此外，新生軟骨呈現(xiàn)清晰完整的潮線，分泌了更多更均勻的細胞外基質(zhì)，上調(diào)COL II的表達和并降低 MMP-13的表達，表明該生物墨水具有有效修復軟骨缺損的能力。

圖4. 關(guān)節(jié)軟骨修復的宏觀、組織學和免疫組織化學評估。

結(jié)論與展望：

在這項研究中開發(fā)了一種組成細胞膠囊遞送生物墨水的策略，通過該策略，將普通生物墨水材料（如 SerMA）和 mCMVs組合為加載一定量抗氧化試劑的細胞膠囊，從而產(chǎn)生生物墨水。與使用替代藥物負載方法的生物墨水相比，這種策略不僅延長了藥物的半衰期，還增強了生物墨水的生物相容性、可打印性和利用率。SD 大鼠軟骨缺損修復試驗結(jié)果表明，與 SerMA 生物墨水和對照相比，PUN8@SerMA─mCMV 生物墨水的組織再生效率高?？紤]到 PUN8@SerMA-mCMV 生物墨水的抗氧化活性和抗菌能力，它在未來可能應(yīng)用于組織工程，特別是特定的病理微環(huán)境，如在氧化應(yīng)激下。

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