技術(shu)文(wen)章

當前位(wei)置：首(shou)頁技(ji)術文章生(sheng)物3D打印(yin)！細(xi)胞膠囊(nang)遞(di)送(song)策(ce)略(lve)實(shi)現軟(ruan)骨(gu)缺(que)損(sun)修(xiu)復

生(sheng)物3D打印(yin)！細(xi)胞膠囊(nang)遞(di)送(song)策(ce)略(lve)實(shi)現軟(ruan)骨(gu)缺(que)損(sun)修(xiu)復

更新時間(jian)：2025-09-12

點(dian)擊次數(shu)：405

組(zu)織(zhi)工程(cheng)學與3D打(da)印(yin)生(sheng)物墨(mo)水的(de)發展為(wei)組(zu)織(zhi)再(zai)生(sheng)提(ti)供(gong)新思路。但(dan)當前生(sheng)物墨(mo)水存在(zai)功(gong)能(neng)單壹、適(shi)配(pei)性(xing)不(bu)足(zu)等(deng)問(wen)題(ti)，難以(yi)滿(man)足(zu)病理微(wei)環(huan)境(jing)下缺(que)損(sun)修(xiu)復的(de)難(nan)題(ti)。開發藥物遞(di)送(song)生(sheng)物墨(mo)水或許可以(yi)針(zhen)對(dui)不(bu)同病理微(wei)環(huan)境(jing)進行(xing)治療，但(dan)藥物與遞(di)送(song)材(cai)料(liao)進(jin)行(xing)物理共(gong)混會導(dao)致藥物突釋(shi)和(he)細(xi)胞(bao)刺(ci)激(ji)，而化學(xue)接枝可(ke)能(neng)會破壞(huai)藥物的(de)官(guan)能(neng)團，降(jiang)低其藥理活性(xing)；自組(zu)裝的(de)納(na)米顆粒和(he)微(wei)球(qiu)往往(wang)面臨(lin)體(ti)內難以(yi)降(jiang)解(jie)的(de)風(feng)險(xian)。

為了解(jie)決這(zhe)壹問(wen)題(ti)，湖南大學(xue)劉海(hai)蓉、周征團(tuan)隊(dui)開發了壹(yi)種(zhong)細(xi)胞(bao)膠(jiao)囊遞(di)送(song)策(ce)略(lve)，以(yi)關(guan)節軟(ruan)骨(gu)損傷作為(wei)實(shi)驗模型(xing)，氧化應(ying)激環境(jing)作為(wei)病理模型(xing)，開發載安(an)石(shi)榴苷(gan)細(xi)胞膠(jiao)囊多功(gong)能(neng)生(sheng)物墨(mo)水。該生(sheng)物墨(mo)水具(ju)有(you)加(jia)速軟(ruan)骨(gu)再(zai)生(sheng)、抗(kang)氧(yang)化、抑(yi)菌等(deng)功(gong)能(neng)，在(zai)組(zu)織(zhi)工程(cheng)與臨(lin)床(chuang)應用領(ling)域(yu)具(ju)有(you)巨(ju)大(da)應(ying)用(yong)潛(qian)力(li)。該研(yan)究以(yi)題(ti)為“Cellular Capsule Delivery Bioink with Punicalagin-Loaded Chondrocyte Membrane Vesicles for Tissue Engineering Therapy"的(de)論(lun)文(wen)發表在(zai)國際期刊(kan)《Advanced Functional Materials》上(shang)，碩(shuo)士研(yan)究生(sheng)於(yu)夢依為第壹作者。

關(guan)節中受(shou)損軟(ruan)骨(gu)的(de)修(xiu)復是(shi)臨(lin)床(chuang)治療面(mian)臨(lin)的(de)壹(yi)大(da)挑(tiao)戰，因(yin)為病理狀況會阻礙(ai)由炎癥因(yin)子和(he)活性(xing)氧（ROS）引(yin)起(qi)的(de)軟(ruan)骨(gu)再(zai)生(sheng)。為(wei)了(le)解(jie)決這(zhe)壹難題(ti)，作者開發了壹(yi)種(zhong)細(xi)胞(bao)膠(jiao)囊遞(di)送(song)生(sheng)物墨(mo)水。通(tong)過(guo)丙烯(xi)酸酯(zhi)-聚(ju)（乙(yi)二(er)醇(chun)）-琥珀酰(xian)亞(ya)胺(an)酯(zhi)（AC-PEG-NHS）修(xiu)飾(shi)軟(ruan)骨(gu)細胞(bao)膜囊(nang)泡（CMVs），並(bing)在(zai)其內部(bu)負載多個反應性(xing)羥基的(de)安(an)石(shi)榴苷(gan)，制(zhi)備成(cheng)細胞膠(jiao)囊(nang)。這些(xie)膠(jiao)囊與甲(jia)基丙烯(xi)酰化絲(si)膠（SerMA）結(jie)合，形(xing)成(cheng)光(guang)固化生(sheng)物墨(mo)水前體(ti)，該前體(ti)不(bu)僅表現出優異(yi)的(de)抗(kang)氧(yang)化性(xing)能(neng)，還具(ju)有(you)顯著的(de)抗(kang)菌(jun)活性(xing)和(he)強大(da)的(de)軟(ruan)骨(gu)保護(hu)效(xiao)果(guo)。研(yan)究使用(yong)摩(mo)方(fang)精(jing)密面投(tou)影(ying)微(wei)立體(ti)光(guang)刻(ke)（PμSL）技(ji)術打印的(de)所(suo)有(you)結(jie)構(gou)都保持(chi)了高(gao)形狀保真度，並維(wei)持(chi)了良(liang)好(hao)的(de)細(xi)胞(bao)活力(li)和(he)活性(xing)。

圖1. 細(xi)胞(bao)膠囊遞(di)送(song)生(sheng)物墨(mo)水制(zhi)備與應(ying)用(yong)的(de)示(shi)意(yi)圖(tu)。

負染色TEM 圖像(xiang)顯示(shi)囊(nang)泡表現出特征性(xing)的(de)雙(shuang)層杯狀結(jie)構(gou)，尺(chi)寸約為100 nm。核磁(ci)共(gong)振氫譜出現特征峰(feng)表明(ming)AC─PEG─NHS 修(xiu)飾(shi)的(de) mCMVs的(de)制(zhi)備成(cheng)功(gong)。通(tong)過(guo)將(jiang)天(tian)然抗氧(yang)化劑(ji)安(an)石(shi)榴苷(gan)負載到(dao) mCMVs內(nei)部(bu)制(zhi)備PUN@mCMVs納(na)米粒。TEM 圖(tu)像(xiang)顯示(shi) mCMVs的(de)杯(bei)狀結(jie)構(gou)被(bei)密封，藥物成(cheng)功(gong)加(jia)載到(dao) mCMV 內(nei)部(bu)。通(tong)過免(mian)疫(yi)熒光(guang)染(ran)色在(zai)軟(ruan)骨(gu)細胞(bao)表面觀(guan)察到(dao)與細(xi)胞(bao)整合(he)作用(yong)相關的(de)特定(ding)蛋(dan)白(bai)質，包括(kuo) CD44 、整(zheng)合(he)素 α 1、整合(he)素 β 1 和(he) E-鈣(gai)粘(zhan)蛋(dan)白(bai)。且(qie)細(xi)胞可以(yi)攝取PUN@mCMVs，細(xi)胞膠(jiao)囊(nang)制備成(cheng)功(gong)。

圖(tu)2. PUN@mCMVs細(xi)胞(bao)膠囊的(de)制(zhi)備和(he)表征。

其中 PUN8@SerMA-mCMVs 水凝(ning)膠(jiao)的(de)增殖促(cu)進細(xi)胞增殖作(zuo)用最(zui)高(gao)。且PUN8@SerMA-mCMV 組(zu)表現出更典型(xing)的(de)軟(ruan)骨(gu)腔(qiang)隙(xi)結(jie)構(gou)和(he)更顯著的(de)細(xi)胞(bao)外(wai)基質分泌(mi)，蛋白多糖沈積增強，軟(ruan)骨(gu)細胞(bao)分泌(mi) COL II 增加。軟(ruan)骨(gu)損傷部(bu)位(wei)的(de) ROS 過(guo)度(du)積(ji)累(lei)經常(chang)導(dao)致氧化應(ying)激，從而抑制細胞(bao)增殖，降(jiang)解(jie)細(xi)胞(bao)外基質，並破壞(huai)內源性(xing)組(zu)織(zhi)修(xiu)復過程(cheng)。安(an)石(shi)榴苷(gan)中的(de) 17 個(ge)活性(xing)酚羥基充當氫原子供體，中和(he)自(zi)由(you)基並形成(cheng)穩定的(de)非自(zi)由基物質。這(zhe)個(ge)過程終(zhong)止了自(zi)由(you)基鏈式(shi)反應，從而減緩或防(fang)止對(dui)細(xi)胞和(he)組(zu)織(zhi)的(de)氧(yang)化損(sun)傷。因(yin)此(ci)，PUN8@SerMA-mCMVs 的(de)抗(kang)氧(yang)化活性(xing)可能(neng)支持(chi)細胞(bao)增殖和(he)軟(ruan)骨(gu)再(zai)生(sheng)。實(shi)驗結(jie)果(guo)表明(ming)，細胞膠囊水凝(ning)膠(jiao)具(ju)有(you)顯著的(de)自(zi)由(you)基清除活性(xing)，能(neng)夠有(you)效(xiao)清除細(xi)胞(bao)內的(de)多(duo)余活性(xing)氧，顯著上(shang)調(tiao)編碼(ma)抗氧(yang)化金(jin)屬(shu)酶的(de) SOD1 和(he) SOD2 和(he)下(xia)調(tiao)基質金屬(shu)蛋白(bai)酶 MMP-3 和(he) MMP-13 的(de)表達，從而來保護(hu)軟(ruan)骨(gu)細胞(bao)免受(shou)細胞炎癥引(yin)起(qi)的(de)氧(yang)化應(ying)激。PUN8@SerMA-mCMV 細胞(bao)膠囊(nang)水凝(ning)膠(jiao)表現出的(de)抑(yi)菌(jun)活性(xing)，能(neng)夠明(ming)顯抑制大腸(chang)桿菌和(he)金(jin)黃色葡萄(tao)球(qiu)菌的(de)活性(xing)，這可(ke)能(neng)有(you)利於(yu)3D生(sheng)物打印(yin)和(he)組(zu)織(zhi)工程(cheng)的(de)整(zheng)個(ge)過(guo)程(cheng)。

采(cai)用(yong)摩方(fang)精(jing)密nanoArch^® S140（精度(du)：10 μm）3D打印(yin)機測試細胞膠(jiao)囊(nang)遞(di)送(song)生(sheng)物墨(mo)水的(de)打(da)印(yin)能(neng)力(li)，並將(jiang)軟(ruan)骨(gu)細胞(bao)負載到(dao)PUN8@SerMA-mCMV 生(sheng)物墨(mo)水中。實(shi)驗表明(ming)，生(sheng)物墨(mo)水打(da)印(yin)的(de)水凝(ning)膠(jiao)產品表現出優異(yi)的(de)可(ke)打(da)印(yin)性(xing)和(he)形(xing)狀保真度。生(sheng)物3D打印(yin)後(hou)，封裝(zhuang)在(zai)打印(yin)水凝(ning)膠(jiao)中的(de)軟(ruan)骨(gu)細胞(bao)表現出高(gao)細胞(bao)活力(li)。這些(xie)結(jie)果(guo)表明(ming)，細胞膠囊遞(di)送(song)生(sheng)物墨(mo)水 PUN8@SerMA-mCMVs適(shi)用(yong)於(yu) 3D 生(sheng)物打印(yin)和(he)組(zu)織(zhi)工程(cheng)應用。

圖3. PUN@SerMA-mCMVs生(sheng)物墨(mo)水的(de)DLP生(sheng)物打印(yin)。

PUN8@SerMA-mCMV 生(sheng)物墨(mo)水在(zai)SD大鼠(shu)體內(nei)促進軟(ruan)骨(gu)缺(que)損(sun)修(xiu)復。結(jie)果(guo)表明(ming)，與空白組(zu)相比(bi)，實(shi)驗組(zu)新軟(ruan)骨(gu)覆蓋(gai)原始缺(que)損(sun)區(qu)域(yu)，並(bing)與周圍(wei)的(de)正(zheng)常(chang)軟(ruan)骨(gu)組(zu)織(zhi)高(gao)度融(rong)合(he)，具(ju)有(you)最(zui)高(gao)的(de)組(zu)織(zhi)學評(ping)分(fen)，micro-CT表明(ming)新生(sheng)軟(ruan)骨(gu)已經填充了缺(que)損(sun)，修(xiu)復區(qu)域(yu)的(de)表面相(xiang)對(dui)平(ping)坦。組(zu)織(zhi)學染(ran)色實(shi)驗表明(ming)，在(zai) PUN8@SerMA-mCMVs 組(zu)中，軟(ruan)骨(gu)細胞(bao)增殖並(bing)整齊排(pai)列(lie)，表現出特征性(xing)的(de)軟(ruan)骨(gu)腔(qiang)隙(xi)和(he)層狀結(jie)構(gou)，具(ju)有(you)最(zui)小的(de)不(bu)全修(xiu)復組(zu)織(zhi)。此(ci)外(wai)，新(xin)生(sheng)軟(ruan)骨(gu)呈現清晰(xi)完整的(de)潮(chao)線，分(fen)泌(mi)了更多更均勻的(de)細(xi)胞(bao)外(wai)基質，上(shang)調(tiao)COL II的(de)表達和(he)並(bing)降(jiang)低 MMP-13的(de)表達，表明(ming)該生(sheng)物墨(mo)水具(ju)有(you)有(you)效(xiao)修(xiu)復軟(ruan)骨(gu)缺(que)損(sun)的(de)能(neng)力(li)。

圖4. 關(guan)節軟(ruan)骨(gu)修(xiu)復的(de)宏(hong)觀(guan)、組(zu)織(zhi)學和(he)免(mian)疫(yi)組(zu)織(zhi)化學(xue)評(ping)估(gu)。

結(jie)論與展(zhan)望(wang)：

在(zai)這項(xiang)研(yan)究中開發了壹(yi)種(zhong)組(zu)成(cheng)細胞膠(jiao)囊(nang)遞(di)送(song)生(sheng)物墨(mo)水的(de)策(ce)略(lve)，通過該策(ce)略(lve)，將普通(tong)生(sheng)物墨(mo)水材(cai)料(liao)（如(ru) SerMA）和(he) mCMVs組(zu)合為(wei)加(jia)載壹定量(liang)抗氧(yang)化試(shi)劑的(de)細(xi)胞(bao)膠(jiao)囊(nang)，從而產生(sheng)生(sheng)物墨(mo)水。與使用(yong)替(ti)代藥物負載方(fang)法的(de)生(sheng)物墨(mo)水相(xiang)比(bi)，這種(zhong)策(ce)略(lve)不(bu)僅延(yan)長(chang)了藥物的(de)半(ban)衰(shuai)期(qi)，還增強了(le)生(sheng)物墨(mo)水的(de)生(sheng)物相容(rong)性(xing)、可打(da)印(yin)性(xing)和(he)利用(yong)率(lv)。SD 大(da)鼠(shu)軟(ruan)骨(gu)缺(que)損(sun)修(xiu)復試驗結(jie)果(guo)表明(ming)，與 SerMA 生(sheng)物墨(mo)水和(he)對(dui)照相(xiang)比(bi)，PUN8@SerMA─mCMV 生(sheng)物墨(mo)水的(de)組(zu)織(zhi)再(zai)生(sheng)效(xiao)率(lv)高(gao)。考慮到(dao) PUN8@SerMA-mCMV 生(sheng)物墨(mo)水的(de)抗(kang)氧(yang)化活性(xing)和(he)抗(kang)菌(jun)能(neng)力(li)，它在(zai)未來(lai)可(ke)能(neng)應用於(yu)組(zu)織(zhi)工程(cheng)，特別(bie)是(shi)特定(ding)的(de)病理微(wei)環(huan)境(jing)，如在(zai)氧化應(ying)激下。