骨關(guān)節(jié)炎（OA）是一種導(dǎo)致成人疼痛和殘疾的慢性疾病，影響全球約3億人。它是由軟骨損傷引起的，包括細(xì)胞炎癥和細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的破壞，由于軟骨組織中缺乏血管和神經(jīng)，導(dǎo)致自我修復(fù)能力有限。關(guān)節(jié)軟骨獨特的生物學(xué)特性和機(jī)械結(jié)構(gòu)使關(guān)節(jié)軟骨的重建成為巨大的挑戰(zhàn)。在多種策略中，類器官技術(shù)作為一種新興的軟骨修復(fù)策略，顯示出巨大的潛力。類器官是由體外培養(yǎng)的干細(xì)胞衍生的三維（3D）組織結(jié)構(gòu)，模仿相應(yīng)器官的組織和功能。它們?yōu)檠芯亢烷_發(fā)提供了生理學(xué)相關(guān)的系統(tǒng)。關(guān)節(jié)類器官的構(gòu)建可以模擬關(guān)節(jié)在體內(nèi)的微環(huán)境，建立骨關(guān)節(jié)炎、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等疾病模型，并可用于關(guān)節(jié)植入物的藥物篩選和生物材料評價。

目前關(guān)節(jié)類器官的發(fā)展仍處于起步階段，構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官仍存在眾多挑戰(zhàn)。近年來，3D生物打印和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展為構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官提供了新的可能性。3D生物打印具有高通量、高精度和自動化等優(yōu)點，可以被用來制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)類器官，從而模擬真實的關(guān)節(jié)微環(huán)境。立體結(jié)構(gòu)為細(xì)胞和組織滲透到結(jié)構(gòu)內(nèi)部中提供了空間，促進(jìn)更好的組織-關(guān)節(jié)類器官整合，并擴(kuò)大了細(xì)胞附著和生長的面積。此外，由3D生物打印技術(shù)構(gòu)建的關(guān)節(jié)類器官由于其空間特性和機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以承受植入關(guān)節(jié)中存在的高水平的壓縮和剪切載荷。

因此，目前對關(guān)節(jié)類器官構(gòu)建的研究有限，仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。 近期，上海交通大學(xué)新華醫(yī)院蘇佳燦教授團(tuán)隊從3D建模、打印方式、生物墨水和培養(yǎng)條件四點總結(jié)了3D生物打印構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官的方法，重點概述了3D生物打印在構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官方面的相關(guān)研究，創(chuàng)新性地提出了關(guān)節(jié)類器官構(gòu)建的階段性策略，為關(guān)節(jié)類器官的構(gòu)建提供了嶄新的思路。該綜述文章以“Small joint organoids 3D bioprinting: Construction strategy and application”為題，發(fā)表在Small期刊上。上海交通大學(xué)附屬新華醫(yī)院蘇佳燦教授、上海大學(xué)任肖湘助理研究員與西安紅會醫(yī)院周鳳金教授為文章的共同通訊作者。



考慮到關(guān)節(jié)組織的復(fù)雜組成，包括不同的細(xì)胞類型和排列在特定3D結(jié)構(gòu)中的細(xì)胞外基質(zhì)組件，生物3D打印結(jié)構(gòu)提供了緊密模擬關(guān)節(jié)組織復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力。3D生物打印允許對不同的細(xì)胞類型和材料進(jìn)行精確定位，從而能夠創(chuàng)建具有更準(zhǔn)確和更真實結(jié)構(gòu)的組織。在該綜述中，作者介紹了3D生物打印構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官的關(guān)鍵流程和技術(shù)，如3D建模、3D生物打印、生物墨水和培養(yǎng)微環(huán)境。

圖1 三維打印構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官的關(guān)鍵步驟和技術(shù)

3D建模

3D打印是一種多功能技術(shù)，可以根據(jù)計算機(jī)模型以精確、預(yù)定義的方式組合材料和細(xì)胞。這種方法允許制造高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使其成為構(gòu)建關(guān)節(jié)組織的一種很有前途的技術(shù)。設(shè)計和創(chuàng)建關(guān)節(jié)類器官需要使用CAD、3DMAX和Solidworks等軟件來構(gòu)建打印模型。

在3D打印之前，使用計算機(jī)斷層掃描和磁共振成像等成像技術(shù)來定位和分析關(guān)節(jié)，從而創(chuàng)建在解剖學(xué)上與骨缺陷匹配的精確模型。該模型可作為打印過程的藍(lán)圖，允許使用計算機(jī)輔助設(shè)計和制造（CAD-CAM）對關(guān)節(jié)進(jìn)行精確構(gòu)建。3D打印正在迎來患者個性化定制的新時代，在實現(xiàn)模型或設(shè)備的最大準(zhǔn)確性和功能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

打印技術(shù)

打印技術(shù)也是3D生物打印的關(guān)鍵組成部分，因為它可以影響打印的類器官的分辨率、細(xì)胞活力和材料特性。此外，作者還總結(jié)了適合于構(gòu)建類器官的打印方法，并為構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官提供了有價值的見解。通過綜合考慮打印方法和設(shè)備，研究人員可以優(yōu)化打印過程，以制備高質(zhì)量的關(guān)節(jié)類器官，用于藥物開發(fā)和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

圖2 四種不同的印刷方法

生物墨水

除了打印技術(shù)，生物墨水是3D生物打印的另一個重要元素。對于關(guān)節(jié)類器官來說，理想的生物墨水應(yīng)該為軟骨細(xì)胞和各種骨細(xì)胞的生長和分化提供良好的微環(huán)境，并具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度來模擬骨組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)，并具有負(fù)載效應(yīng)。與傳統(tǒng)的3D打印不同，3D生物打印需要具有高生物相容性和生物可降解性的材料。水凝膠已經(jīng)成為一種適合3D生物打印的生物材料，為細(xì)胞存活、增殖和分化提供了一個培養(yǎng)環(huán)境。 生物3D打印關(guān)節(jié)類器官的構(gòu)建策略 關(guān)節(jié)是由多種組織組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括髕下脂肪墊、肌腱、韌帶和半月板。然而，構(gòu)建完整的關(guān)節(jié)類器官來模擬關(guān)節(jié)各部分的動態(tài)環(huán)境仍非常困難。因此，在該綜述中，作者提出了構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官的三部曲。

圖3 生物3D打印關(guān)節(jié)類器官的構(gòu)建策略

基礎(chǔ)關(guān)節(jié)類器官

首先，在構(gòu)建復(fù)雜的高級關(guān)節(jié)類器官之前，應(yīng)先建立基本的關(guān)節(jié)類器官，即基于生物活性材料（如GelMA、HAP等）和干細(xì)胞（如骨干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞等）定向分化的三維骨軟骨組織。因此，選擇合適的細(xì)胞和生物材料對于構(gòu)建基本關(guān)節(jié)類器官至關(guān)重要。起始細(xì)胞類型可以決定體外類器官成熟的水平。對于關(guān)節(jié)類器官，潛在的細(xì)胞來源包括hiPSCs和間充質(zhì)干細(xì)胞。

圖4 基礎(chǔ)關(guān)節(jié)類器官

結(jié)構(gòu)化關(guān)節(jié)類器官

第二步，在基礎(chǔ)關(guān)節(jié)類器官之上，構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的關(guān)節(jié)類器官。這方面的關(guān)鍵策略是探索3D生物打印的使用和可以打印的結(jié)構(gòu)類型。不同的生物3D打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)化構(gòu)造種各有優(yōu)缺點。擠出式打印的同軸和雙通道噴頭更適合于快速成型器官的構(gòu)造，而投影光固化打印具有更高的分辨率，能夠打印更精確的結(jié)構(gòu)。大量研究已經(jīng)證明了結(jié)構(gòu)對細(xì)胞分化和遷移的重要性，而3D打印的逐層制造允許材料在支架中均勻分布和控制納米結(jié)構(gòu)。

利用3D生物打印技術(shù)可以實現(xiàn)精確和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來復(fù)制骨骼結(jié)構(gòu)。具有分級孔隙度的支架與天然骨的多孔結(jié)構(gòu)非常相似，因此設(shè)計具有不同孔隙度的關(guān)節(jié)類器官可能是一種很有前途的策略。材料的孔隙率也與其壓縮模量和屈服應(yīng)力有關(guān)，因此多孔結(jié)構(gòu)不僅可以向細(xì)胞輸送營養(yǎng)物質(zhì)，還可以模擬關(guān)節(jié)所經(jīng)歷的應(yīng)力。受自然生物啟發(fā)構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官也是一種很有前途的策略。例如，海綿、海螺形狀的支架都可以有效地定向骨生長。這些天然結(jié)構(gòu)不僅具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度來模擬關(guān)節(jié)的應(yīng)力，而且還能有效地引導(dǎo)細(xì)胞生長。

圖5 結(jié)構(gòu)化關(guān)節(jié)類器官

功能化關(guān)節(jié)類器官

最后，關(guān)節(jié)類器官的功能化是一個關(guān)鍵步驟，它涉及將各種活性因子，包括將生長因子、外泌體和囊泡納入生物墨水，這可以調(diào)節(jié)細(xì)胞行為并誘導(dǎo)細(xì)胞分化。例如，轉(zhuǎn)化生長因子β1和骨形態(tài)發(fā)生蛋白分別可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的分化。此外，光聚合物和光熱劑可用于創(chuàng)建具有光熱響應(yīng)和彈性體性能的結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)4D打印。

圖6 功能化關(guān)節(jié)類器官

綜上所述，與傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)和動物模型相比，利用3D生物打印構(gòu)建的關(guān)節(jié)類器官可以更好地模擬關(guān)節(jié)的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，并更加準(zhǔn)確地反映生理和病理狀態(tài)。然而，構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官是一個復(fù)雜的過程，需要考慮多種細(xì)胞類型、生物材料組合和生長因子調(diào)節(jié)。關(guān)節(jié)類器官的可重復(fù)性和穩(wěn)定性仍然需要改進(jìn)，如干細(xì)胞定向分化、血管化和免疫化等挑戰(zhàn)是關(guān)鍵問題。盡管存在這些挑戰(zhàn)，3D生物打印和干細(xì)胞研究在構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官方面具有巨大的潛力。使用先進(jìn)的生物材料技術(shù)，包括生物納米材料、納米材料和可生物降解材料，將更有效和可持續(xù)地構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官。總之，關(guān)節(jié)類器官提供了更準(zhǔn)確的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和微環(huán)境表征，相信3D生物打印作為一種新方法將為關(guān)節(jié)組織建模和關(guān)節(jié)疾病治療提供無限可能。

審核編輯：劉清