【背景】
关节软骨损伤是常见问题，会导致部分关节功能丧失，并显著影响生活质量。然后现有研究多将关节软骨视为均一结构，忽视了其内部纵横交错的复杂ECM结构，导致难以再生出天然的关节软骨。
为了应对这一挑战，EFL团队仿生天然细胞外基质（ECM）的结构，从钢筋混凝土结构中汲取灵感，提出了“生物混凝土”的设计理念。该设计旨在仿生出组织的物理及生化微环境，重建出ECM的物理结构及与生化3D环境，从而促进加速缺损组织的功能化重建。具体而言，这种仿生组织构建体由三部分组成：生物水泥、可降解的生物钢筋以及生物活性石子。
（a）
生物水泥：
通过调配并筛选多种生物水凝胶（甲基丙烯酰胺化明胶（GelMA）、甲基丙烯酰胺化透明质酸（HAMA）和甲基丙烯酰胺化硫酸软骨素（ChSMA））以开发一种能够模拟软骨ECM三维生化微环境的生物水泥。这种生物水泥不仅为细胞提供了生物活性粘附位点，还通过调节各组分的比例，实现了机械性能和生化性能的可调性。
（b）
生物钢筋：
3D打印的超细纤维网络作为可降解的生物钢筋，其纤维取向从平行过渡到垂直，复制了天然软骨的复杂结构。通过调整UFNs的纤维尺度和间距，能够调控仿生软骨的机械性能使其与天然软骨压缩力学性能相匹配。
（c）
生物活性石子：
干细胞作为“生物活性石子”，在生物水泥和生物钢筋的协同作用下，促进了软骨组织的再生。
相关研究以“
Biological reinforced concrete for cartilage repair with 3D printing
” 为题发表在《
Advanced Science
》。
浙江大学贺永教授、贵州大学李家春教授和浙江大学附属口腔医院谢志坚教授为论文共同通讯作者，贵州大学陈跃威副教授、浙二医院的傅涛医师及、贵州理工学院的邹中妃副教授为论文的共同一作
。
图1 生物钢筋混凝土仿生软骨构建体的设计与制造原理图
1、设计用于模拟软骨ECM三维微环境的“生物水泥”
在人体内，几乎所有细胞都处于ECM三维基质中。ECM主要由三维网络构成，并富含生物活性信号分子，它支持细胞存活并决定细胞命运。细胞与ECM三维微环境之间的交流是通过生化和机械信号来调节的。从软骨ECM的组成中汲取灵感，本研究设计了一种明胶基复合生物水凝胶作为生物水泥。这种生物水泥以 GelMA 为骨架，并通过调节 HAMA 和 ChSMA 的比例来构建一个机械和生化特性均可调节的配方，从而有效地模拟ECM三维生化微环境。因此，研究人员通过固定GelMA的浓度并调整 HAMA 和 ChSMA 的浓度，设计了七种梯度刚度的基质配方以提供广泛的可调节模量范围。
在成软骨分化及再生过程中，间充质干细胞（MSCs）会表现出一系列细胞行为，例如增殖、迁移、聚集和分化。这个过程涉及软骨基质的分泌，最终导致组织重塑。在设计促进 hBMSC 分化并再生软骨的复合生物水凝胶时，必须充分考虑这些关键的细胞行为。因此，系统地研究并筛选了促进软骨基质沉积的最优复合生物水凝胶配方，以模拟软骨ECM三维生化微环境。
图2 在体外3D培养hBMSC筛选促干细胞增殖、迁移和聚集的最优复合水凝胶配方
图3 在体外3D培养hBMSC向软骨分化及分泌ECM情况
2、仿生软骨构建体的制备及其力学性能
