一種高保真柚皮苷衍生生物墨水加速了軟骨缺損修復

更新時間：2022-08-25

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3D生物打印技術加速了健康科學研究的發(fā)展，如組織工程與再生醫(yī)學、藥物篩選和開發(fā)等。生物墨水是3D生物打印技術的基本組成部分，目前廣泛應用的生物墨水主要是由明膠、透明質酸、海藻酸鹽、絲素蛋白和PEG等常用生物醫(yī)用高分子衍生物構成，其種類和功能有限，需進一步開發(fā)和拓展特異性組織再生的醫(yī)用功能化生物墨水。

由植物和微生物產生的天然化學物質具有廣泛的生物活性和高度的立體化學結構，是一種極.具應用潛力的醫(yī)療資源。研究發(fā)現天然黃酮糖苷類化合物含有至少一個共軛大π鍵和多個共軛雙鍵，可以在一定波長范圍內吸收光，因此推測黃酮糖苷類化合物基生物墨水在光輔助打印過程中或許可以吸收散射光，提高打印產品的形狀保真度。另一方面，黃酮糖苷類化合物具有抗氧化、抗炎和抗凋亡特性，被用于治療骨質疏松、風濕病和神經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)學等領域的廣泛應用。因此，研究黃酮糖苷類化合物衍生物基生物墨水來提高3D生物打印保真度及黃酮糖苷類化合物在組織工程等醫(yī)學應用中的生物利用度是有顯著科學意義的。與口服黃酮糖苷類藥物相比，3D生物打印黃酮糖苷類化合物基生物墨水可將黃酮糖苷類分子的生物活性直接傳遞至鄰近細胞被有效利用。鑒于其有望改善打印保真度、促進組織再生修復，將黃酮糖苷類化合物基生物墨水稱為醫(yī)用生物墨水。

為了驗證這一假設并建立生物活性醫(yī)用生物墨水的研發(fā)方案，湖南大學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效率（圖1）。相關論文在線發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry B》，湖南大學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。

柚皮苷（NAR）衍生的生物墨水材料（NARMA-GELMA bioink）由甲基丙烯酰化柚皮苷（NARMA）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結果證明了植物源活性因子黃酮糖苷類化合物柚皮苷和天然高分子明膠的甲基丙烯酰化改性成功，表明NARMA和GELMA具有光聚合交聯能力。接著，采用摩方精密nanoArch S140打印機研究載細胞生物墨水的生物打印性能，結果如圖3所示，相比于經典的GELMA生物墨水，光固化打印NARMA-GELMA生物墨水結果表明該生物墨水的生物打印結構完整性好、形狀保真度高，這一優(yōu)異的光固化結果得益于NARMA在405 nm處有光吸收特性（圖2B）。并且該打印過程條件溫和，細胞存活狀態(tài)良好。最后采用兔關節(jié)軟骨缺損模型驗證了NARMA-GELMA生物墨水的軟骨缺損修復性能，結果如圖4所示，聯合自體軟骨細胞的NARMA-GELMA生物墨水修復兔關節(jié)軟骨缺損一個月后，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，在組織學層面上形成了大量的軟骨樣陷窩結構，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，可提高軟骨修復效率、能有效促進體內關節(jié)軟骨缺損再生修復。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打印機制備由柚皮苷衍生生物墨水和改性明膠生物墨水轉化的水凝膠結構。(A)3D生物打印的CAD模型和切片圖案；(B)3D生物打印結構的宏觀照片；(C) 3D生物打印結構的活細胞熒光染色圖片。

圖4 生物墨水原位修復關節(jié)軟骨缺損一個月后的大體觀和組織學染色結果。(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大體觀評分；（G）O`Driscoll 組織學評分。