|《AFM》天津大学刘文广团队：3D 打印高强度超分子聚合物水凝胶

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摘要
由于难以概括各向异性微结构和模量，开发具有可靠的长期机械和功能支持的半月板替代品面临着巨大的挑战。最近，天津大学刘文广团队报道了一种高强度超分子聚合物水凝胶缓冲的仿生结构化弯月面替代物。径向和周向取向的聚 (e-己内酯) (PCL) 纤维框架是 3D 打印的，以模仿天然半月板中的胶原纤维，以提供周向拉伸支撑。然后，将复制蛋白聚糖抗轴向压缩载荷功能的氢键增强抗膨胀聚（N-丙烯酰甘氨酰胺）（PNAGA）水凝胶注入3D打印的PCL框架中，从而实现持久的能量吸收和缓冲功能，远远优于传统聚丙烯酰胺水凝胶的性能。 PNAGA 缓冲 PCL 结构的周向杨氏模量为 20.15 ± 1.37 MPa ，径向为 10.43 ± 1.54 MPa ，压缩模量为 1.11 ± 0.14 MPa ，撕裂能为 17.00 ± 2.07 kJ m?2 。这种 3D 打印的 PCL-PNAGA 半月板支架被植入兔膝关节 12 周，体内结果表明结构稳定性和有效防止软骨磨损，同时改善骨关节炎的发展。
背景介绍

半月板是位于股骨髁（FC）和胫骨平台（TP）之间的楔形纤维软骨组织，在传递和重新分配载荷、提供缓冲和吸收能量以及润滑和稳定膝关节方面起着至关重要的作用。与年龄相关的退化和急性运动损伤通常被认为是半月板功能障碍的两个主要原因。临床上，普遍采用全半月板切除术或部分半月板切除术来治疗无法修复的半月板损伤，包括发生在半月板无血管和无细胞区的横向撕裂或骨折，以减轻疼痛并恢复力传递功能。然而，半月板切除术后膝关节的应力分布不可避免地会发生变化，这将恶化全膝关节的稳定性，导致关节软骨磨损，从而加速骨关节炎（OA）的进展。事实上，半月板具有相当复杂的微观结构，在不同区域具有不同的细胞外基质 (ECM) 组织。半月板ECM中主要存在由周向胶原纤维和径向胶原纤维交织而成的致密且水合的网状结构，其中糖胺聚糖（GAGs）渗入间隙中；因此，刚性胶原纤维和亲水性 GAG 的组合有望有助于天然半月板的优异机械性能和粘弹性。在过去的十年中，人们在开发半月板替代品方面做出了相当大的努力，旨在重现半月板的微观结构并恢复半月板的功能，从而保护关节软骨免受磨损。值得注意的是，胶原半月板植入物（CMI）和 Actifit 等多孔半月板支架已分别在美国和欧洲商业化并用于临床应用。然而，这些植入物在几何设计上是同质的，没有模仿精细的微结构。天然半月板和机械薄弱，这使得它们仅适用于保留完整血管区（半月板外缘）的部分半月板切除术后的治疗。而在全半月板切除术的情况下，为患者提供有效的机械支撑和长期稳定性的即刻半月板置换具有重要意义。然而，迄今为止，仍然没有足够坚固的替代品具有结构完整性和高强度综合力学性能，可用于长期半月板更换。
图文解析

示意图1. 3D打印高强度超分子聚合物水凝胶缓冲径向和周向导向半月板替代品示意图。为了模拟微结构特征，并考虑到机械需求，研究者提出构建一个PNAGA缓冲3D打印PCL框架半月板替换物，它由径向和周向的PCL纤维组成，模仿天然半月板的胶原纤维网络，从而提供机械支持，特别是周向的抗拉能力，以及填充PCL框架的PNAGA水凝胶，以复制蛋白多糖抵抗轴向压缩载荷和提供缓冲的功能(示意图1) 。考虑到PCL结构的疏水性，对其进行碱预处理，以增加PCL与PNAGA的润湿性和表面接触面积。 3D打印PCL支架的表征为了研究打印针类型对PCL支架中纤维直径的影响，在倒置荧光显微镜下观察了打印参数优化后通过不同针头打印的PCL支架。从图1a、c中可以看出，在3D打印过程中，使用较大的针可以得到较大的纤维直径和较小的孔径。值得注意的是，由于PCL典型的挤出膨胀现象，纤维的理论直径小于实际直径。考虑到兔半月板的尺寸较小，最终使用30G型号的针头3D打印PCL支架进行体内植入。