综述：生物打印技术构建类器官用于软骨修复的前沿探索

这篇综述系统阐述了3D生物打印(3D-bioprinting)技术与类器官(organoid)工程在软骨修复领域的协同创新，重点探讨了生物墨水(bioink)配方优化、数字光处理(DLP)打印技术进展及其在疾病建模(disease modeling)和药物筛选(drug screening)中的应用，为个性化软骨再生提供了突破性解决方案。

　　

生物打印技术构建类器官：软骨修复的革命性突破

1. 引言

关节软骨因其无血管和神经的特性，自我修复能力极其有限。全球约5.28亿人受骨关节炎(OA)困扰，传统修复方法如微骨折术和自体软骨细胞移植(ACI)存在供区损伤、免疫排斥等问题。生物打印技术与类器官工程的结合，通过精确的空间 patterning 策略实现三大突破：结构仿生（重建天然软骨的带状结构）、微环境调控（整合光交联DSC ecMMA/sERMA复合水凝胶）、血管化挑战（多通道打印构建仿生脉管系统）。

2. 软骨缺损与修复

软骨由软骨细胞和富含II型胶原、蛋白聚糖的细胞外基质(ECM)组成。创伤或炎症导致的缺损会引发退行性恶性循环。传统修复方法中，基质诱导自体软骨细胞移植(MACI)虽能改善细胞分布，但成本高昂且技术复杂。相比之下，3D生物打印构建的梯度支架可模拟软骨-骨界面的力学异质性，如使用甲基丙烯酰化明胶(GelMA)/硅酸盐纳米片(SG)复合材料实现20-50μm分辨率。

3. 生物打印技术的优势

数字光处理(DLP)技术通过动态微镜阵列实现微米级精度，较挤出打印减少剪切力损伤。典型案例包括：

• 结构仿生：纳米凝胶生物墨水在兔模型中再生功能性软骨

• 微环境模拟：磺化多糖材料模拟软骨ECM高负电荷特性

• 4D打印：温敏性明胶-藻酸盐复合材料实现术后自主形态适配

4. 生物打印技术发展

4.1 挤出打印

采用剪切稀化生物墨水（如κ-卡拉胶微球），通过多喷嘴系统同步打印不同材料。丝素蛋白(SF)因其机械性能备受关注，而微流控打印头可实现多种细胞/材料并行沉积。

4.2 DLP打印

光固化体积生物打印(VBP)技术可在分钟级完成复杂结构，如仿Willis环的血管网络。关键突破包括：

• 可见光交联的ECM@MeHA生物墨水

• 酶响应性PEG水凝胶实现可控降解

• 各向异性水凝胶再生软骨-骨界面

5. 生物打印类器官构建

5.1 材料

天然水凝胶（如Matrigel）虽能模拟ECM，但存在鼠源致瘤风险。新型策略包括：

• 脱细胞ECM(dECM)生物墨水保留组织特异性信号

• 悬浮培养hiPSC来源软骨颗粒形成透明软骨

• 胶原水凝胶维持OA软骨细胞COL2A1/COL1A1高比率

5.2 生物墨水

需同时满足可打印性和软骨特异性功能：

• 梯度氧环境促进GAG/DNA比率提升

• RGD修饰丝素蛋白(SF-DNA)微球增强细胞粘附

• 血小板富血浆(PRP)控释转化生长因子β3(TGF-β3)

5.3 细胞来源

髌下脂肪垫来源MSCs(IFP-MSCs)在低氧条件下保持更强软骨分化能力。诱导多能干细胞(iPSCs)通过代谢重编程抵抗衰老，在兔模型中实现全层关节软骨再生。

6. 应用前景

6.1 疾病建模

OA类器官成功复现Wnt/β-catenin和BMP信号动态，miR-140-3p异常表达揭示治疗靶点。相比化学诱导的小鼠模型，IL-1β刺激的类器官更准确模拟人类OA炎症反应。

6.2 药物筛选

集成微流体的器官芯片(organ-on-chip)实现实时监测：

• COL2A1突变类器官研究遗传性软骨发育不良

• 衰老诱导模型加速药物测试周期

• 高通量筛选平台评估抗炎药物对MMP-13的抑制

6.3 临床转化

个性化方案取得突破：

• 负载BMP4/TGFβ3微球的四层梯度支架修复兔膝关节缺损

• 生物打印hiPSC软骨类器官实现宿主整合

• AI优化设计结合4D打印动态变形特性

7. 结论

当前挑战聚焦于长期功能稳定性、血管化标准化和监管路径。未来方向包括开发具有机械适应性