3D打印含氧化石墨烯的仿骨支架

來源：EngineeringForLife  

近期，來自Swiss Federal Institute of Technology in Zurich的Ralph Müller團隊在Acta Biomaterialia 上發(fā)表了題為“3D Bioprinting of Graphene Oxide-Incorporated Cell-laden Bone Mimicking Scaffolds for Promoting Scaffold Fidelity, Osteogenic Differentiation and Mineralization”的文章。該研究開發(fā)了一種氧化石墨烯(GO)/海藻酸鹽/明膠復(fù)合生物墨水，并用其負載人類間充質(zhì)干細胞(hMSCs)進行三維仿骨支架的打印。通過對4組不同濃度的氧化石墨烯(GO)水凝膠進行對比實驗，證明了骨組織模型在組織工程應(yīng)用中的潛力。

首先，研究人員通過對復(fù)合溶液（GO/海藻酸鈉/明膠）進行光學(xué)顯微鏡分析，來觀察GO在水凝膠溶液中的分散性。隨后對不同GO含量的水凝膠進行了彈性和粘度的流變學(xué)測試，從而確定生物墨水的可打印性（圖1）。

圖1 GO相關(guān)表征及流變學(xué)特性

其次，研究人員通過分析支架的外觀形態(tài)（圖2）和第1天、第7天和第42天的壓縮模量的變化（圖3），研究了GO復(fù)合支架的打印保真度和力學(xué)性能。

圖2 生物3D打印無細胞的GO復(fù)合支架的形態(tài)評估

圖3 生物3D打印載細胞的GO復(fù)合支架的力學(xué)性能評估

為研究打印支架中GO的存在是否影響細胞與材料的相互作用，研究人員通過分析短期和長期培養(yǎng)的hMSCs的細胞活性來判斷其生存能力（圖4），通過對含有不同濃度GO的水凝膠進行對照實驗來評價GO的細胞毒性。

圖4 hMSC的細胞活性分析

隨后，研究人員針對不同GO濃度對礦物形成和支架保真度的影響進行了研究（圖5、圖6）。并通過使用茜素紅S和H&E對三維細胞支架的ECM礦化和細胞形態(tài)進行了評估。結(jié)果表明GO的摻入改變了藻酸鹽/明膠支架的粗糙度和細胞粘附性能，從而使其中的細胞具有更多的應(yīng)力纖維（圖7）。

圖5 從生物3D打印到CT評估全流程示意圖

圖6 對不同時間點的支架進行CT圖像掃描

圖7 茜素紅S和H&E染色結(jié)果

綜上所述，研究人員利用生物3D打印技術(shù)成功制備了負載細胞的GO/海藻酸鹽/明膠復(fù)合仿骨支架。通過CT掃描和組織學(xué)染色證實了摻入GO可增加支架中礦物質(zhì)的形成，證明了生物3D打印礦化缺陷支架可被用于體外骨模型、化合物篩選或毒性測試，從而減少相關(guān)實驗對動物的使用。

參考文獻

JianhuaZhang, Hande Eyisoylu, Xiao-HuaQin, Marina Rubert, Ralph Müller. 3D bioprinting of graphene oxide-incorporated cell-laden bone mimicking scaffolds for promoting scaffold fidelity, osteogenic differentiation and mineralization. Acta Biomaterialia. （https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.12.026）