《AFM》天津大学刘文广：3D 打印高强度超分子聚合物水凝胶

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。

图1.具有不同类型针头的 PCL 支架的光学显微镜图像（30 G，内径：0.3 mm；40 G，内径：0.4 mm；50 G，内径：0.5 mm）在 a）4×（比例尺：1 mm） ) 和 8 倍放大倍率（比例尺：300 µm）和 b) 在 4 倍放大倍率（比例尺：1 mm）下不同的光纤间距（1000、2000 和 3000 µm）。c) 不同类型针的 PCL 支架中纤维的理论和实际直径。d) 不同纤维间距的 PCL 支架的孔径。

PCL-PNAGA支架的制备与表征

为了分析 3D 打印 PCL 支架和 PCL-PNAGA 支架的生物力学特性，进行了单轴拉伸和无侧限压缩测试（图 2a-d）。随着纤维间距的增加，对齐的 PCL 支架和交错支架的拉伸强度和杨氏模量由于孔径更大和纤维数量减少而呈现下降趋势。此外，与对齐的 PCL 支架相比，具有较高孔隙率的交错 PCL 支架显示出拉伸性能的降低。相比之下，对齐的 PCL-1 支架表现出更高的拉伸强度 (8.50 ± 0.46 MPa)、杨氏模量 (73.50 ± 8.98 MPa) 和断裂能 (91.26 ± 10.05 MJ m -3)；而交错的 PCL-2 支架机械性能下降，拉伸强度为 3.83 ± 0.44 MPa，杨氏模量为 22.94 ± 4.37 MPa，断裂能为 41.06 ± 6.98 MJ m -3。至于断裂伸长率，对齐和交错的支架都可以承受超过 2500% 的拉伸，并且在所有组中几乎相同（图 2a）。此外，抗压强度和模量也显示出明显的纤维间距依赖性行为。随着纤维间距的增加，对齐和交错支架的这两个特性都大大降低了。与对齐的 PCL 支架相比，交错的 PCL 支架具有较低的抗压强度和模量，因为它们具有更高的孔隙率和更多的 PCL 纤维交叉点分散。作为说明，对齐的 PCL-1 支架的抗压强度 (11.47 ± 1.02 MPa) 和压缩模量 (11.97 ± 1.41 MPa) 高于交错的 PCL-2 支架 (分别为 4.93 ± 0.94 MPa 和 0.53 ± 0.02 兆帕）（图 2b）。

图2. 具有不同纤维间距的对齐和交错的 PCL 支架和 PCL-PNAGA 支架的机械性能。a) PCL 支架和 c) PCL-PNAGA 支架在单轴拉伸试验中的拉伸强度、断裂伸长率、杨氏模量和断裂能；b) PCL 支架和 d) PCL-PNAGA 支架在无侧限抗压试验中的抗压强度和压缩模量。e) 极限应力和 f) PCL-PNAGA 支架第 10 次循环在 10%、20%、30%、40% 和 50% 应变的循环拉伸加载-卸载测试中的耗散能量，分别为 10 个循环。g) 极限应力和 h) PCL-PNAGA 支架第 10 次循环在 10%、20%、30%、40% 和 50% 应变的循环压缩加载-卸载测试中的耗散能量，分别为 10 个循环。

PCL支架和PCL-PNAGA支架的力学性能

为了分析3D打印PCL支架和PCL-PNAGA支架的生物力学性能，进行了单轴拉伸和无侧限压缩试验(图2a-d)。从拉伸应力-应变曲线可以看出，所有支架都经历了弹性变形、屈服、变形发展、应变硬化和逐渐破坏五个阶段。随着纤维间距的增大，排列式PCL支架和交错式PCL支架的抗拉强度和杨氏模量均呈下降趋势，原因是支架孔径增大，纤维数量减少。随着纤维间距的增加，PCL-PNAGA支架的拉伸强度和杨氏模量也出现了类似的下降。然而，当单体浓度为30 wt%时，PCL-PNAGA支架的抗拉强度和杨氏模量均比PNAGA水凝胶提高了约两个数量级(0.95±0.04 MPa, 0.15±0.01 MPa)。特别是PCL-PNAGA支架具有比PNAGA水凝胶更高的杨氏模量，可以满足半月板置换的要求。尽管它们的力学性能在拉伸强度和杨氏模量方面不如原生半月板，但PCL-PNAGA支架具有足够的强度来维持结构的完整性，并发挥荷载传递的功能。

图3.a,e) 对齐和 c,g) 交错 PCL-PNAGA 支架的抗疲劳性能，循环拉伸 (a,c) 和压缩 (e,g) 加载-卸载测试 1000 次。b,d,f,h) 计算第一个循环和每 100 个循环对应的极限应力和耗散能量。在所有循环中固定最大应变为 30%。

图4.a) 3D 打印的 PCL 半月板支架和 PCL-PNAGA 半月板支架的示意图和照片（比例尺：1 厘米）。b）PCL-PNAGA半月板支架沿径向和周向拉伸的拉伸应力-应变曲线，以及c）相应的拉伸强度和杨氏模量。数据表示为平均值 ± SD。n = 5。d）PCL-PNAGA半月板支架沿轴向压缩的压缩应力-应变曲线。e) PCL-PNAGA半月板支架的抗疲劳性能进行了1000个循环的循环压缩加载-卸载测试，f) 计算了第一个循环和每100个循环对应的极限应力和耗散能量。在所有循环中固定最大应变为 30%。g) 在 PCL 半月板支架和 PCL-PNAGA 半月板支架上培养 1 天和 3 天后小鼠胚胎成纤维细胞 (L929) 的细胞活力。数据表示为平均值 ± SD， n = 6。

为了探索PCL-PNAGA半月板支架替代半月板的可行性，研究者也对其力学性能进行了评估。如图4b、c所示，半月板支架的周向抗拉强度为3.40±0.19 MPa，杨氏模量为20.15±1.37 MPa，径向抗拉强度为1.41±0.08 MPa，杨氏模量为10.43±1.54 MPa。这表明它可以很好地承受周向和径向的拉力，以避免膝关节的径向和纵向撕裂。

图5. a) 3D 打印的 PCL 和 PNAGA 缓冲的 PCL 半月板替代物在兔模型中的植入过程：i) 皮肤组织和筋膜组织的切口；ii) 切断内侧副韧带并打开膝关节囊；iii) 半月板切除术；iv) 半月板替代物的植入；v) 缝合内侧副韧带并闭合膝关节囊；vi)缝合皮肤组织和筋膜组织。b) 术后 4、8 和 12 周（4、8 和 12 w）对股骨髁（FCs）和胫骨平台（TPs）以及半月板植入物的宏观观察（比例尺：1 cm）。仅暴露半月板的家兔为假手术组，仅行半月板切除术的家兔为半月板切除组。实验组在兔双膝内侧半月板全半月板切除后分别植入PCL和PCL-PNAGA半月板植入物。胫骨平台上 PCL 和 PCL-PNAGA 半月板植入物的位置用红色虚线圈出。c) 国际软骨修复协会 (ICRS) 评估软骨退化的评分。数据表示为平均值 ± SD。n = 4。

半月板支架的体内植入

3D打印PCL-PNAGA半月板替代物在兔模型中的植入过程如图5a所示。通过宏观观察和国际软骨修复协会(ICRS)评分来检测PCL-PNAGA半月板支架的软骨保护作用(图5b,c)。图5b为兔膝FC和TPs以及植入支架表面的宏观照片。半月板切除术组在4周和8周后，股骨和胫骨表面出现散在性裂隙，植入时间较长，甚至出现较大裂隙，软骨下骨外露。相比之下，PCL-PNAGA组的FC和TPs呈现完整光滑的表面，与假手术组相似。即使在12周后，PCL-PNAGA组仅观察到轻微的软骨表面侵蚀(图5b)。

图6. a) 术后 4、8 和 12 周（4、8 和 12 w）股骨髁（FCs）和胫骨平台（TPs）的组织学评估。H&E：苏木精和伊红染色，SOFG：番红 O-fast green 染色。仅暴露半月板的家兔为假手术组，仅行半月板切除术的家兔为半月板切除组。对于实验组，在兔双膝内侧半月板全半月板切除后，分别将PCL和PCL-PNAGA半月板植入物移植到膝关节（比例尺：500 µm）。b) 国际骨关节炎研究协会 (OARSI) 评分评估软骨退化。数据表示为平均值 ± SD。n = 4。使用单向方差分析 (ANOVA) 计算 p 值，然后进行事后 Bonferroni 检验。

总结

总之，该团队设计并制造了一种机械强度高的超分子聚合物水凝胶注入刚性聚（ε-己内酯）（PCL）人工半月板，以概括天然半月板的微结构。PCL 纤维框架首先以径向和圆周方向进行 3D 打印，以模拟天然半月板中的胶原纤维，用于提供圆周拉伸支撑。然后将氢键增强的非膨胀性聚（N-丙烯酰甘氨酰胺）（PNAGA）水凝胶作为蛋白聚糖样缓冲层和具有抵抗轴向压缩载荷能力的能量吸收层填充到 3D 打印的 PCL 框架中，形成集成PCL-PNAGA半月板替代品，周向杨氏模量为20.146±1.369 MPa，径向为10.426±1.539 MPa，压缩模量为1.11±0.14 MPa，撕裂能为17.00±2.07 kJ m-2，具有目的是消散外部能量并减少磨损。将 3D 打印的 PCL-PNAGA 半月板替换物植入兔子膝关节 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。这种具有精细仿生微架构和各向异性生物力学的 PCL-PNAGA 半月板替代品可能代表了临床前应用中半月板替代的有前景的策略。

相关论文以题为“ 3D Printed High-Strength Supramolecular Polymer Hydrogel-Cushioned Radially and Circumferentially Oriented Meniscus Substitute ”发表在在《Advanced Functional Materials》上。通讯作者是天津大学刘文广教授。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.202200360

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