Bioactive Materials--3D 生物打印实现仿生关节软骨，胶原排列堪比天然组织

文章信息关节软骨损伤后难以自愈，若不及时治疗极易发展为骨关节炎，全球超3 亿人受此困扰。传统治疗手段如微骨折、自体软骨细胞移植等，难以重建软骨特有的拱形胶原结构，导致修复组织力学性能不足，长期效果不佳。近日，爱尔兰都柏林三一学院的研究团队在《Bioactive Materials》（IF=18.9）发表突破性成果，通过嵌入式生物打印技术，利用关节软骨祖细胞（ACPs）和甲基丙烯酸酯化黄原胶（XGMA）支撑浴，成功构建出具有天然拱形胶原排列的功能性软骨移植物，为关节软骨修复带来新希望！

要点分析核心突破：找准“种子细胞”+ 精准调控胶原排列

1. 关节软骨祖细胞（ACPs）：比软骨细胞更优的 “种子”研究团队通过纤连蛋白差异粘附法，从山羊关节软骨中分离出ACPs。与传统使用的软骨细胞相比：形态上，ACPs 呈梭形，软骨细胞为鹅卵石状；软骨形成能力更强，pellet 培养中分泌的硫酸化糖胺聚糖（sGAG）和胶原蛋白显著更多；表型更稳定，仅表达II 型胶原蛋白（软骨特异性胶原），不表达 X 型胶原蛋白（肥大软骨标志物），完美维持透明软骨特性。这解决了传统软骨细胞扩增后功能衰退、间充质干细胞易分化为纤维软骨的难题，为构建功能性软骨提供了理想“种子细胞”。

2. 物理边界调控胶原排列：越薄越有序天然关节软骨的胶原排列极具功能性—— 表层胶原水平排列抵抗张力，深层胶原垂直排列锚定软骨下骨，这种拱形结构是其承载力学功能的关键。研究发现：利用琼脂糖制作250、500、750μm 宽的通道，将 ACPs 负载于氧化海藻酸盐水凝胶中培养，250μm 窄通道组胶原排列最整齐，且胶原蛋白 / DNA 比值最高；扫描电镜（SEM）和偏振光显微镜（PLM）证实，窄通道通过物理约束迫使细胞和胶原沿通道长轴排列， coherency（排列一致性系数）接近 1，远高于宽通道组；分子机制上，窄通道组软骨特异性基因（PRG4、MMP13）表达更高，进一步验证了胶原排列与功能表型的相关性。
3. 内部边界的重要性：避免核心坏死，促进均匀软骨形成对比“有内部边界”（打印丝间保留 100μm XGMA 间隙）和 “无内部边界”（打印丝紧密接触）的双层移植物：有内部边界组：sGAG 和胶原在整个构建体中均匀分布，核心区域软骨形成良好；无内部边界组：仅边缘区域有软骨形成，核心区域因营养供应不足，基质分泌极少；生化分析证实，有内部边界组的sGAG 和胶原蛋白总量显著更高，解决了大尺寸工程软骨核心坏死的关键难题。
该研究首次通过“纯细胞嵌入式生物打印”技术，利用 ACPs 的高软骨形成能力和 XGMA 支撑浴的物理约束作用，成功构建出具有天然拱形胶原结构的功能性关节软骨移植物。核心创新点包括：证实ACPs 是优于软骨细胞和间充质干细胞的软骨组织工程种子细胞；明确物理边界宽度是调控胶原排列的关键因素，窄边界（250μm 左右）可诱导胶原有序排列；利用XGMA 支撑浴实现无支架细胞打印，同时提供物理边界，分层打印复刻天然软骨结构；内部边界设计解决了大尺寸移植物的营养供应问题，为临床转化奠定基础。未来研究将聚焦于：优化XGMA 支撑浴的降解特性，实现打印后适时降解，促进打印丝融合；加入生化因子进一步调控软骨的分区表型，使其更接近天然关节软骨；开展体内动物实验，验证移植物的修复效果和长期稳定性。这项技术突破为关节软骨损伤的精准修复提供了新策略，有望彻底改变骨关节炎的治疗格局，让更多患者摆脱关节疼痛的困扰！文献来源：Karam AS, Kronemberger GS, Chattahy K, et al. Cell-only bioprinting of articular cartilage progenitor cells within a physically constraining support bath to engineer structurally organized grafts. 《Bioactive Materials》 2026;59:251-265.
DOI:https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2025.12.013