3D生物打印技术构建体外滑膜模型的研究报告

作者及发表信息
本研究由Mauro Petretta（瑞士Regenhu SA公司/意大利IRCCS Istituto Ortopedico Rizzoli）、Simona Villata（意大利都灵理工大学）等9位作者合作完成，发表于2023年2月的《Applied Sciences》期刊（DOI:10.3390/app13031889），采用CC BY 4.0开放获取许可。

学术背景
滑膜组织（synovial membrane）在类风湿性关节炎（RA）和骨关节炎（OA）等疾病的炎症过程中起核心作用。传统2D细胞模型和动物实验存在生理相关性低、伦理争议等问题，而现有3D模型（如器官芯片）难以模拟滑膜的真实结构。本研究旨在通过体积挤压式3D生物打印技术（volumetric extrusion bioprinting），开发一种负载人类滑膜成纤维细胞（K4IM细胞系）的明胶甲基丙烯酰胺（GelMA）水凝胶支架，为药物筛选和个性化医疗提供更仿生的体外模型。

研究流程与方法

1. 生物墨水（bioink）制备与表征

   • 合成：以10% w/v牛源明胶为基底，通过甲基丙烯酸酐（MA）修饰合成GelMA，功能化程度（DOF）达70%。
     
   • 配方优化：测试7.5%、10%、12.5%三种GelMA浓度，评估溶胀率、流变学性能（弹性模量）及微观结构（场发射扫描电镜，FESEM）。结果显示10% GelMA兼具良好打印性与细胞相容性。
     
   • 灭菌处理：采用两步过滤法（0.⁴⁵⁄₀.22 μm PES滤膜）确保无菌性。

2. 打印参数优化

   • 设备：使用Regenhu公司的3D Discovery Evolution平台，配备400 μm喷嘴（克服200 μm喷嘴的细胞聚集堵塞问题）。
     
   • 关键参数：打印头温度15°C、基底温度6°C、打印速度5 mm/s、紫外固化（365 nm，15秒/层）。
     
   • 结构设计：6×6 mm网格支架，纤维直径402.7±27.4 μm，孔径597±26.4 μm，层高200 μm，总高度1.6 mm。

3. 细胞负载与生物打印

   • 细胞系：采用永生化人类滑膜成纤维细胞K4IM（SV40 T抗原转染），密度1.5×10⁶ cells/mL。
     
   • 打印流程：细胞与GelMA混合后低温预交联，通过体积挤压技术逐层打印，直接沉积于12孔板中培养。

4. 生物学评估

   • 活死染色（Live/Dead Assay）：第1天存活率50-60%（打印过程剪切力影响），14天后提升至近100%。
     
   • 乳酸脱氢酶（LDH）检测：第1-3天LDH释放量较高，第7-14天显著降低（p<0.05），证实细胞代谢恢复。
     

主要结果
1. 材料性能：10% GelMA溶胀率适中（优于7.5%），弹性模量适合软组织模拟（图1），FESEM显示多孔互联结构（图2）。
2. 打印精度：纤维直径与设计偏差%，支架形态保真度高（图3-4）。
3. 细胞活性：长期培养证实支架支持细胞增殖，LDH数据与活死染色结果一致（图5-6）。

结论与价值
本研究首次通过体积挤压生物打印构建了滑膜成纤维细胞负载的3D模型，其创新性体现在：
1. 技术层面：结合温控挤出与逐层光交联，解决GelMA打印形变难题。
2. 科学意义：为研究滑膜炎机制和药物测试提供更接近生理的体外平台。
3. 应用潜力：未来可通过整合巨噬细胞或电纺技术模拟滑膜双层结构。

研究亮点
- 方法创新：体积挤压技术实现高精度细胞负载打印，参数优化数据详实（表1-4）。
- 模型优势：相较于Lin等（2021）的RA血管化模型，本研究聚焦健康滑膜基础构建。
- 局限性：K4IM细胞系缺乏巨噬细胞组分，需进一步用原代细胞验证。

补充价值
研究获得意大利5×1000基金及Piemonte大区资助，数据可依申请获取，无利益冲突声明。