骨關(guān)節(jié)炎（OA）是一種導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，包括細胞炎癥和細胞外基質(zhì)（ECM）的破壞，由于軟骨組織中缺乏血管和神經(jīng)，導致自我修復能力有限。關(guān)節(jié)軟骨獨特的生物學特性和機械結(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策略，顯示出巨大的潛力。類器官是由體外培養(yǎng)的干細胞衍生的三維（3D）組織結(jié)構(gòu)，模仿相應器官的組織和功能。它們?yōu)檠芯亢烷_發(fā)提供了生理學相關(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)為細胞和組織滲透到結(jié)構(gòu)內(nèi)部中提供了空間，促進更好的組織-關(guān)節(jié)類器官整合，并擴大了細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)性的研究領域。 近期，上海交通大學新華醫(yī)院蘇佳燦教授團隊從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。上海交通大學附屬新華醫(yī)院蘇佳燦教授、上海大學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)組織的復雜組成，包括不同的細胞類型和排列在特定3D結(jié)構(gòu)中的細胞外基質(zhì)組件，生物3D打印結(jié)構(gòu)提供了緊密模擬關(guān)節(jié)組織復雜結(jié)構(gòu)的能力。3D生物打印允許對不同的細胞類型和材料進行精確定位，從而能夠創(chuàng)建具有更準確和更真實結(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)計算機模型以精確、預定義的方式組合材料和細胞。這種方法允許制造高度復雜的結(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)建在解剖學上與骨缺陷匹配的精確模型。該模型可作為打印過程的藍圖，允許使用計算機輔助設計和制造（CAD-CAM）對關(guān)節(jié)進行精確構(gòu)建。3D打印正在迎來患者個性化定制的新時代，在實現(xiàn)模型或設備的最大準確性和功能方面發(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)學應用。

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，理想的生物墨水應該為軟骨細胞和各種骨細胞的生長和分化提供良好的微環(huán)境，并具有足夠的機械強度來模擬骨組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)，并具有負載效應。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

基礎關(guān)節(jié)類器官

首先，在構(gòu)建復雜的高級關(guān)節(jié)類器官之前，應先建立基本的關(guān)節(jié)類器官，即基于生物活性材料（如GelMA、HAP等）和干細胞（如骨干細胞、胚胎干細胞等）定向分化的三維骨軟骨組織。因此，選擇合適的細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，潛在的細胞來源包括hiPSCs和間充質(zhì)干細胞。

圖4 基礎關(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)精確和復雜的結(jié)構(gòu)來復制骨骼結(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力有關(guān)，因此多孔結(jié)構(gòu)不僅可以向細胞輸送營養(yǎng)物質(zhì)，還可以模擬關(guān)節(jié)所經(jīng)歷的應力。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)不僅具有足夠的機械強度來模擬關(guān)節(jié)的應力，而且還能有效地引導細胞生長。

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)細胞行為并誘導細胞分化。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軟骨細胞和成骨細胞的分化。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)的復雜三維結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，并更加準確地反映生理和病理狀態(tài)。然而，構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官是一個復雜的過程，需要考慮多種細胞類型、生物材料組合和生長因子調(diào)節(jié)。關(guān)節(jié)類器官的可重復性和穩(wěn)定性仍然需要改進，如干細胞定向分化、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