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ACS Appl Mater Interfaces.2020 Jul;doi: 10.1021/acsami.0c07918.Epub 2020-07-13.


Three-Dimensional Printing Biologically Inspired DNA-Based Gradient Scaffolds for Cartilage Tissue Regeneration.

  • Xuan Zhou
  • Sara Tenaglio
  • Timothy Esworthy
  • Sung Yun Hann
  • Haitao Cui
  • Thomas J Webster
  • Hicham Fenniri
  • Lijie Grace Zhang
PMID: 32603082 DOI: 10.1021/acsami.0c07918.


加齢や度重なる過負荷、外傷、病気などによる軟骨の損傷は、慢性的な痛みや炎症、こわばり、さらには障害の原因となります。他の種類の組織(骨、皮膚、筋肉など)とは異なり、軟骨組織は再生能力が非常に弱い。現在、軟骨の損傷を修復するためのゴールドスタンダードの外科的治療には、自家移植および全移植が含まれている。しかし、これらの処置は、不十分なドナー源および免疫学的拒絶反応の可能性によって制限されている。長年の開発の後、人工組織は現在、組織再生を目的とした貴重な人工的代替品を提供しています。三次元(3D)バイオプリンティング技術は、細胞を用いてカスタマイズ可能な階層構造を印刷することができる。本研究の目的は、脂肪由来間葉系幹細胞(ADSCs)の軟骨分化を改善するためのリジン官能化ロゼットナノチューブ(RNTK)を用いた3Dプリント3層勾配足場を調製することであった。具体的には、生物学的にインスパイアされたRNTKは、細胞の接着と増殖を改善するためのユニークな表面化学とバイオミメティックナノ構造を持っているため、我々の研究で利用されています。ゼラチンメタクリレート(GelMA)とポリエチレングリコールジアクリレート(PEGDA)の異なる比率のゼラチンメタクリレート(GelMA)とポリエチレングリコールジアクリレート(PEGDA)を、ステレオリソグラフィーベースのプリンタを使用して3層のGelMA-PEGDA勾配足場に印刷し、その後、RNTKsでコーティングした。足場中の細孔およびチャネル(∼500μm)が観察された。GelMA-PEGDA-RNTK足場上のADSCの集団は、GelMA-PEGDA足場(対照)と比較して34%増加することがわかった。さらに、3週間の軟骨分化後、GelMA-PEGDA-RNTK足場上のコラーゲンII、グリコサミノグリカン、総コラーゲン合成量は、コントロール足場と比較して、それぞれ59%、71%、60%と有意に増加した。また、GelMA-PEGDA-RNTK足場上で増殖したADSCのコラーゲンII α1、SOX 9、アグレカンの遺伝子発現は、3週間後にコントロールと比較して、それぞれ79%、52%、47%増加した。これらの結果は、RNTKが軟骨の分化を促進するための有望なナノチューブの一種であることを示しており、今回の3Dプリンティング3層グラジエントGelMA-PEGDA-RNTK足場は、将来の軟骨の修復と再生に大きな期待が持てることを示しています。

Cartilage damage caused by aging, repeated overloading, trauma, and diseases can result in chronic pain, inflammation, stiffness, and even disability. Unlike other types of tissues (bone, skin, muscle, etc.), cartilage tissue has an extremely weak regenerative capacity. Currently, the gold standard surgical treatment for repairing cartilage damage includes autografts and allografts. However, these procedures are limited by insufficient donor sources and the potential for immunological rejection. After years of development, engineered tissue now provides a valuable artificial replacement for tissue regeneration purposes. Three-dimensional (3D) bioprinting technologies can print customizable hierarchical structures with cells. The objective of the current work was to prepare a 3D-printed three-layer gradient scaffold with lysine-functionalized rosette nanotubes (RNTK) for improving the chondrogenic differentiation of adipose-derived mesenchymal stem cells (ADSCs). Specifically, biologically inspired RNTKs were utilized in our work because they have unique surface chemistry and biomimetic nanostructure to improve cell adhesion and growth. Different ratios of gelatin methacrylate (GelMA) and poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) were printed into a three-layer GelMA-PEGDA gradient scaffold using a stereolithography-based printer, followed by coating with RNTKs. The pores and channels (∼500 μm) were observed in the scaffold. It was found that the population of ADSCs on the GelMA-PEGDA-RNTK scaffold increased by 34% compared to the GelMA-PEGDA scaffold (control). Moreover, after 3 weeks of chondrogenic differentiation, collagen II, glycosaminoglycan, and total collagen synthesis on the GelMA-PEGDA-RNTK scaffold significantly respectively increased by 59%, 71%, and 60%, as compared to the control scaffold. Gene expression of collagen II α1, SOX 9, and aggrecan in the ADSCs growing on the GelMA-PEGDA-RNTK scaffold increased by 79%, 52%, and 47% after 3 weeks, compared to the controls, respectively. These results indicated that RNTKs are a promising type of nanotubes for promoting chondrogenic differentiation, and the present 3D-printed three-layer gradient GelMA-PEGDA-RNTK scaffold shows considerable promise for future cartilage repair and regeneration.