中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院人體組織與器官退行性研究中心阮長(zhǎng)順與天津大學(xué)劉文廣研究團(tuán)隊(duì)在高強(qiáng)度聚合物增強(qiáng)明膠水凝膠支架的研究取得進(jìn)展。相應(yīng)成果為“Gao F, Xu ZY, Liang QF, et al. Osteochondral regeneration with 3D-printed biodegradable high-strength supramolecular polymer reinforced-gelatin hydrogel scaffolds [J]. Advanced Science, 2019: 1900867(3D 打印超分子高強(qiáng)度聚合物增強(qiáng)明膠水凝膠支架及其促骨軟骨的再生作用)”。

一直以來(lái)，骨軟骨退變所造成的膝關(guān)節(jié)功能障礙或殘疾問(wèn)題都是骨科臨床治療中的難題。因此，實(shí)現(xiàn)骨軟骨的重塑在于構(gòu)建功能性的支架結(jié)構(gòu)。其中，由于明膠具有良好的生物相容性、生物活性和可降解性能，其被廣泛用作 3D 打印的生物墨水。不過(guò)，大多數(shù)物理交聯(lián)的明膠或雙鍵交聯(lián)的甲基丙烯酸改性明膠(GelMA)機(jī)械性能較弱，難以作為承重的支架，限制了其作為骨缺損支架材料的可能性。

為解決上述問(wèn)題，該研究首先制備了側(cè)鏈富含酰胺基、氫鍵和羧基的聚 N-丙烯酰基甘氨酸(PACG)，其多重交聯(lián)的化學(xué)鍵可充當(dāng)調(diào)節(jié)水凝膠支架機(jī)械性能的角色；其次，復(fù)合 GelMA 形成增強(qiáng)型水凝膠支架，克服了 PACG 凝膠易于消散自溶的缺點(diǎn)；最后，基于 N-丙烯?；拾彼崤c GelMA 復(fù)合的生物墨水的溫敏轉(zhuǎn)變行為和易于調(diào)節(jié)的黏度，一系列由紫外光固化的 PACG-GelMA 水凝膠梯度支架被打印出來(lái)，并用于軟骨缺損的重建。為了增強(qiáng)凝膠的修復(fù)效率，具有生物活性的 Mn2＋離子被負(fù)載在梯度水凝膠的頂端，而生物活性玻璃(BG)裝載入凝膠支架的底部。最后對(duì)該梯度水凝膠支架的機(jī)械性能及其促骨軟骨再生修復(fù)的生物活性進(jìn)行探究和評(píng)價(jià)。

結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的明膠水凝膠支架相比，富含動(dòng)態(tài)氫鍵的 PACG 聚合物賦予了該雜化梯度水凝膠支架更高的機(jī)械強(qiáng)度(壓縮強(qiáng)度由 200 kPa 增至 12.4 MPa，壓縮模量由 100 kPa 增至 837 kPa)。體內(nèi)的大鼠膝骨軟骨缺損模型試驗(yàn)表明，該復(fù)合梯度水凝膠支架加速了軟骨和軟骨下骨的重塑和愈合。

該體系中增強(qiáng)型的水凝膠構(gòu)建策略可廣泛應(yīng)用于其他天然生物活性高分子支架的制備中。同時(shí)，受天然人體骨軟骨結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，所制備的梯度雜化生物活性水凝膠支架有望應(yīng)用于其他承重軟組織缺損的修復(fù)和治療方面。

3D 打印生物混合梯度支架修復(fù)骨軟骨缺損的示意圖： （a）生物墨水 A 以及生物墨水 B，在低溫接收器輔助下 3D 打印生物雜化梯度支架；（b）紫外光（UV）光引發(fā)聚合反應(yīng)形成穩(wěn)定的水凝膠 PACG-GelMA 網(wǎng)絡(luò)支架；（c）PACG-GelMA 水凝膠支架修復(fù)骨軟骨缺損