3Dプリントされた分解性超分子ポリマー強化ゼラチンハイドロゲル足場

3Dプリントされた分解性超分子ポリマー強化ゼラチンハイドロゲル足場
出典: 高分子科学の最前線

膝の関節軟骨欠損および軟骨下骨変性は、痛み、膝の機能障害、関節炎の悪化、さらには重症の場合は障害につながる可能性のある、まれな臨床問題です。骨軟骨再生の成功は、ニッチの手がかりを再現する能力を備えた足場を構築することに大きく依存します。軟部組織および硬部組織の再生に使用できる生体材料の一種として、ハイドロゲルは大きな応用の見込みがあります。中でも、ゼラチンハイドロゲルは、生体適合性、生分解性、生体活性に優れ、資源も豊富なことから、3Dプリント用のバイオインクとして開発されてきました。しかし、従来のゼラチンハイドロゲルは機械的特性が低いため、荷重を支える足場として使用することはできません。

最近、天津大学の劉文光教授と中国科学院深圳先進技術研究所の阮長順准研究員のチームが、新しいタイプの生分解性水素結合強化ゼラチンハイドロゲル足場を報告し、それを骨軟骨の再生に使用しました。分解可能なポリ(N-アクリロイル-2-グリシン) (PACG) とメタクリル化ゼラチン (GelMA) (PACG-GelMA) で構成される勾配ハイドロゲル バイオスキャフォールドは、骨軟骨修復の初期段階で機械的サポートを提供し、最終的には新しい組織の成長とともに分解します。水素結合強化型 PACG の導入により、ゼラチン ハイドロゲルの機械的強度が大幅に向上し、最大 1.1 MPa の引張強度、優れた圧縮強度 (最大 12.4 MPa)、高いヤング率 (最大 320 kPa)、および高い圧縮弾性率 (最大 837 kPa) が実現します。その中で、関節軟骨-軟骨下骨構造のシミュレーションでは、PACG-GelMA-Mn2+上部軟骨層と生体活性ガラスを充填したPACG-GelMA下部骨層からなる二重層生体勾配ハイドロゲル足場が、ワンステップの精密熱アシスト押し出し印刷技術とそれに続くUV光重合によって得られました。 BG を組み込むことで hBMSCs の増殖、ALP 活性および分化を改善できる一方、Mn2+ を導入することで hBMSCs の軟骨分化を促進できるため、得られたバイオハイブリッド勾配ハイドロゲル スキャフォールドは、ラットの膝骨軟骨欠損の修復において軟骨と軟骨下骨の分化を同時に加速するという利点があります。

グラフィックエクスプレス


図 1. 骨軟骨欠損の修復のためのバイオハイブリッド勾配スキャフォールドの 3D プリントの概略図。

A) バイオインク A とバイオインク B の混合物、およびクライオレシーバー支援 3D バイオプリンティング法を使用してバイオハイブリッド勾配足場を準備しました。B) 紫外線誘起重合と PACG-GelMA ネットワークでの主要な水素結合の形成により、安定したハイドロゲル足場を準備しました。C) 動物実験では、バイオハイブリッド勾配 PACG-GelMA ハイドロゲル足場の上層と下層をそれぞれ Mn2+ と BG で処理し、骨軟骨欠損の治療に使用しました。


図2. 機械的性質試験

AC) 異なる初期濃度の ACG と GelMA で調製した PACG-GelMA ハイドロゲルの引張応力-ひずみ曲線。DF) 圧縮応力-ひずみ曲線。


図 3. コラーゲナーゼ溶液中の ACG と GelMA の異なる初期濃度で調製された PACGX-GelMAY ハ​​イドロゲルの in vitro 分解挙動。


図4. 異なるスキャフォールドで培養されたhBMSCの軟骨形成および骨形成分化の遺伝子解析

A、B) それぞれ培養 7 日目と 14 日後の軟骨関連遺伝子 (COL II、プロテオグリカン、SOX-9、COLI) の発現。C、D) それぞれ培養 7 日目と 14 日後の骨形成関連遺伝子 (ALP、OCN、COL I、RUNX2) の発現。 Mn2+ を負荷した PACG10-GelMA10 ハイドロゲル スキャフォールドと BG を負荷した PACG35-GelMA7 ハイドロゲル スキャフォールドは、それぞれ軟骨形成と骨形成の分化を有意に促進しました (対照群と比較して (*p < 0.05、#p < 0.01)。


図 5. 4、8、12 週目に異なるグループで修復された軟骨下骨のマイクロ CT 分析特性の 3 次元再構成画像。

オリジナルリンク:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201900867

出典: 高分子科学の最前線
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