3D Printed Cartilage‐Like Tissue Constructs with Spatially Controlled Mechanical Properties

材料科学 软骨发生 生物材料 软骨 生物医学工程 组织工程 自愈水凝胶 细胞外基质 3D生物打印 纳米技术 解剖 化学 高分子化学 生物化学 医学
作者
Bruna Alice Gomes de Melo,Yasamin A. Jodat,Shreya Mehrotra,Michelle A. Calabrese,Tom Kamperman,Biman B. Mandal,Maria Helena Andrade Santana,Eben Alsberg,Jeroen Leijten,Su Ryon Shin
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:29 (51) 被引量:57
标识
DOI:10.1002/adfm.201906330
摘要

Developing biomimetic cartilaginous tissues that support locomotion while maintaining chondrogenic behavior is a major challenge in the tissue engineering field. Specifically, while locomotive forces demand tissues with strong mechanical properties, chondrogenesis requires a soft microenvironment. To address this challenge, 3D cartilage-like tissue is bioprinted using two biomaterials with different mechanical properties: a hard biomaterial to reflect the macromechanical properties of native cartilage, and a soft biomaterial to create a chondrogenic microenvironment. To this end, a hard biomaterial (MPa order compressive modulus) composed of an interpenetrating polymer network (IPN) of polyethylene glycol (PEG) and alginate hydrogel is developed as an extracellular matrix (ECM) with self-healing properties, but low diffusive capacity. Within this bath supplemented with thrombin, fibrinogen containing human mesenchymal stem cell (hMSC) spheroids is bioprinted forming fibrin, as the soft biomaterial (kPa order compressive modulus) to simulate cartilage's pericellular matrix and allow a fast diffusion of nutrients. The bioprinted hMSC spheroids improve viability and chondrogenic-like behavior without adversely affecting the macromechanical properties of the tissue. Therefore, the ability to print locally soft and cell stimulating microenvironments inside of a mechanically robust hydrogel is demonstrated, thereby uncoupling the micro- and macromechanical properties of the 3D printed tissues such as cartilage.
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