摘要：骨-韌帶界面的構建采用了多種策略，這對組織再生和了解界面再生機制都有重要價值。然而，如何總結天然骨-韌帶界面的復雜性和異質性，包括結構、細胞和力學梯度，仍然是一個挑戰(zhàn)。在這項工作中，提出了一種通過熔融靜電紡絲寫入（MEW）制作的仿生網格卷曲微圖案，以模擬骨-韌帶界面的天然結構。開發(fā)了卷曲纖維微圖案的打印策略并優(yōu)化了工藝參數，用于模擬韌帶中膠原纖維的卷曲結構。研究了卷曲角和纖維間距對成纖維細胞取向的導向作用，兩者都表現出不同程度的細胞排列效果。

研究背景：迄今為止，韌帶損傷的臨床治療和韌帶到骨連接的再生在矯形醫(yī)學中仍然具有挑戰(zhàn)性。因此，體外構建骨-韌帶界面結構不僅對組織移植物的開發(fā)和受損界面的再生具有重要價值，而且有助于更好地理解結構-功能關系和界面再生的機制。

研究亮點：熔體靜電紡絲書寫(MEW)是一種新興的3D打印技術，通過控制打印板塊來制作具有預定幾何形狀的微纖維圖案.由于它的多功能性，已被廣泛用于制造各種組織工程應用的結構和支架。考慮到 MEW 的打印靈活性，MEW 打印卷曲纖維的可行性，以及新網格結構在成骨方面的優(yōu)勢。本研究中用 MEW 制作了一種生物啟發(fā)的網格卷曲微圖案，用于模擬天然骨-韌帶界面結構。首先，開發(fā)并優(yōu)化了一種新的基于卷曲纖維的書寫方法。

首先選擇16 kPa 的氣壓和 7mm/s 的收集器速度來印刷以下卷曲圖案。不同預設卷曲角的卷曲纖維微圖案從 0°到30°。制造的卷曲纖維具有與韌帶中的體內天然膠原纖維相當的參數 ，暗示了新模型的良好借鑒意義用于模仿韌帶結構的卷曲纖維圖案。為了研究卷曲角對細胞取向的影響，NIH/3T3 成纖維細胞分別在卷曲角為0°,10°,20°和 30°的微圖案上培養(yǎng)，并在培養(yǎng) 2 天 后通過細胞骨架免疫染色進行表征。（如圖1所示）表明直纖維和卷曲纖維對細胞取向和形態(tài)有明顯的導向作用。通過測量細胞的取向角，即細胞核方向和纖維主方向之間的角度，進一步定量評估排列。統(tǒng)計結果表明，細胞取向角和纖維卷曲角表現出良好的一致性

在我們的研究中，優(yōu)化新的加工參數后，可以獲得纖維間距小至 50 μm 的改善的卷曲纖維微圖案，這將更有利于細胞排列，NIH/3T3 細胞的骨架對纖維間距為 50、100 和 200 μm 的卷曲微圖案表現出不同程度的排列。隨著纖維間距變大，觀察到微圖案的細胞排列效果減弱。正如所料，纖維間距為 50 μm的微圖案比間距為 100μm和 200 μm的微圖案對細胞取向顯示出最強的導向作用。采用優(yōu)化的工藝參數可以成功地制備出具有不同卷曲角(0 –30° )°和纖維間距(50–200μm)的新型卷曲纖維微圖案，這兩種微圖案對細胞取向的引導都有一定的影響。

將上述制備的具有不同纖維間距的網格微圖案用于培養(yǎng)人成骨細胞 Saos-2 細胞。圖3 (A)顯示了 7 天和 14 天后的代表性 ALP染色圖像成骨誘導。纖維間距為 50μ m 的新網格微圖案導致 ALP 的顯著最高表達，并且各組中 ALP 的表達隨時間增加。與對照相比，新的網格微圖案顯示出更大的礦化和更好的成骨活性，特別是具有 50 μm 纖維間距的圖案，這可歸因于微圖案的 3D 形貌和由此增加的細胞生長比表面積。而且新型網格卷曲管狀支架就能夠滿足天然骨-韌帶界面組織的形態(tài)和力學要求，顯示出用于骨-韌帶界面組織工程的良好潛力

結論：MEW成功地制造了網格卷曲多相微模式，以模擬天然骨-韌帶界面的結構。開發(fā)了制造卷曲纖維微圖案的策略優(yōu)化了包括氣壓和收集器速度在內的參數。制備了纖維間距為 50-200 μm 的網格微圖案，并且顯示出比對照更好的成骨活性，尤其是間距為 50 μm 的圖案。將具有不同纖維間距的網格卷曲微圖案用于 NIH/3T3 細胞 和Saos-2 細胞的共培養(yǎng)，細胞遷移結果表明較小的纖維間距導致更快的遷移速度和更早的細胞在界面區(qū)域相遇。通過卷起新的網格卷曲微圖案，最終生成了 3D 管狀三相支架，顯示了與天然骨-韌帶組織的結構和力學相似性，這有望在我們未來的研究中用作體內骨-韌帶界面再生研究的新型支架。 

本文由輕子納米團隊在《Biofabrication》期刊上發(fā)布的最新研究。生物打印材料在未來的醫(yī)學臨床使用上具有廣闊的應用前景。由輕子納米研發(fā)的近場靜電直寫設備M08-001，通過近場直寫靜電紡絲技術可制備高度取向的納米纖維，可實現溶液近場紡絲或熔體近場直寫，可打印用于血管修復、皮膚修復、生物補片等生物組織修復材料，應用廣泛。擁有獨家專利技術，打印精度可達納米級，是一款微納米制造利器。

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