三维熔喷技术构建仿生肌腱支架：高速制备工艺促进人脂肪干细胞定向分化与细胞外基质重塑

针对肩袖撕裂修复术后瘢痕形成和再撕裂率高的问题，研究人员采用三维熔喷(3DMB)技术制备聚乳酸(PLA)和聚己内酯(PCL)支架，通过人脂肪干细胞(hASCs)培养证实其可促进肌腱样细胞外基质(ECM)沉积并增强力学性能。该研究为肌腱组织工程提供了兼具高产量和可调微结构的新型支架解决方案。

　　

肩袖撕裂是导致肩关节功能障碍的首要原因，每年全球有超过46万例手术，但术后再撕裂率高达25%-90%。传统缝合修复会形成力学性能低下的纤维血管瘢痕组织，而现有ECM补片存在细胞浸润慢、机械支撑不足等问题。肌腱组织工程试图通过仿生支架改善修复效果，但主流静电纺丝技术存在溶剂毒性、重复性差和力学性能不足等缺陷。

针对这些挑战，美国北卡罗莱纳州立大学非织造材料研究所的研究人员开发了三维熔喷(3DMB)新技术。该技术通过机器人收集系统精确控制纤维沉积，实现了比传统熔喷(MB)高10倍的纤维排列度，制备出具有解剖相关尺寸的支架。研究团队系统评估了PLA和PCL两种3DMB支架的特性及其对人脂肪干细胞(hASCs)分化的影响，相关成果发表在《Bioprinting》期刊。

关键技术方法包括：1) 采用不同参数制备PLA和PCL的3DMB支架；2) 扫描电镜(SEM)表征纤维形态；3) 力学测试评估各向异性；4) hASCs三维培养及生化分析；5) 差示扫描量热法(DSC)和X射线衍射(XRD)分析结晶行为；6) 蛋白质组学检测基质蛋白表达。

研究结果：

1. 支架表征：3DMB支架纤维直径(1-20μm)与天然肌腱胶原纤维相当，PCL支架厚度(1.98±0.12mm)显著大于PLA(0.56±0.03mm)，且具有更小的孔径和孔隙率。
2. 力学性能：PCL支架杨氏模量(48.3±5.2MPa)显著高于PLA(9.6±1.1MPa)，两者均表现出显著力学各向异性(平行方向vs垂直方向)。
3. 细胞培养：28天后，两组支架均支持hASCs增殖并沉积排列的I型胶原纤维，胶原含量增加2倍，但PLA组蛋白多糖表达更高(0.95% vs 0.68%)。
4. 蛋白质组学：鉴定到2294种蛋白质，其中胶原蛋白占总蛋白的18.5-20.1%。PCL支架显著上调纤维连接蛋白(FN1)等糖蛋白(37.0% vs 24.4%)。
5. 乙醇效应：PLA支架经乙醇消毒后出现22%面积收缩和39%厚度增加，伴随力学性能下降，这与DSC检测到的结晶度变化相关。

讨论与结论：
3DMB技术成功克服了传统MB支架纤维排列度低的问题，其制备的支架具有与肌腱相似的微结构和力学各向异性。虽然力学性能仍低于天然肌腱，但显著优于静电纺丝支架。hASCs在支架上成功分化为肌腱样细胞，并沉积具有红色双折射特征的排列胶原纤维。

值得注意的是，聚合物类型显著影响细胞行为：PCL支架更促进糖蛋白表达，而PLA支架更利于蛋白多糖沉积。这种差异可能与降解速率、表面特性等因素有关。研究还首次报道了乙醇处理对PLA 3DMB支架的独特影响，这为后续工艺优化提供了重要参考。

该研究的局限性在于未系统优化3DMB工艺参数，且支架孔径和厚度可能限制了基质合成。未来研究可通过调整纤维密度、引入动态培养等方式进一步改善性能。作为首个评估3DMB用于肌腱组织工程的研究，其证实了该技术在平衡高产量与精细微结构控制方面的独特优势，为临床转化提供了新思路。