生物打印技术构建类器官在软骨修复中的前沿探索

关节软骨因无血管、无神经，自我修复能力极弱，创伤或退变导致的缺损易引发疼痛和功能障碍，全球超 5 亿人受骨关节炎等相关疾病困扰。传统修复方法(如微骨折、自体软骨移植)存在供区损伤、修复组织力学性能差等局限。生物打印技术与类器官技术的融合为解决这一难题提供了新方案 —— 通过精准调控细胞、生物材料的空间分布，构建仿生软骨类器官，可模拟天然软骨的分层结构和功能，为软骨再生、疾病建模及药物筛选提供理想平台。本综述系统阐述生物打印技术构建软骨类器官的方法、应用及挑战，为临床转化提供参考。

来自北京大学深圳医院的团队在《Journal of Orthopaedic Translation》期刊发表了题为“Construction of organoids using bioprinting technology: a frontier exploration of cartilage repair”的综述。

核心内容如下：

生物打印技术类型：

挤出式生物打印：通过逐层挤出含细胞的生物墨水(如明胶 - 海藻酸盐)构建三维结构，适合模拟软骨的力学梯度，支持干细胞向软骨细胞分化;

数字光处理(DLP)生物打印：利用光固化技术实现微米级分辨率(20-50μm)，可精准控制软骨细胞的空间排布，加速类器官成熟。

关键构建要素：

生物墨水：天然材料(如丝素蛋白、透明质酸)生物相容性好，合成材料(如 PEGDA)力学性能可控，复合墨水(如胶原 - PLGA)可兼顾两者优势，需具备剪切稀化特性以保证打印性和细胞存活;

细胞来源：间充质干细胞(MSCs)因多向分化潜能常用，诱导多能干细胞(iPSCs)可实现个性化修复，自体软骨细胞能保留表型但来源有限。

核心应用：

软骨类器官构建：模拟天然软骨的分层结构(表层高细胞密度、中层胶原纤维定向排列)，通过引入血管化模块解决大尺寸类器官的营养供应问题;

疾病建模：骨关节炎类器官可模拟软骨基质降解(如 IL-1β 诱导 MMPs 高表达)，用于研究发病机制;

药物筛选与再生修复：在动物模型中，生物打印的软骨类器官可修复全层软骨缺损，且能通过患者特异性类器官筛选敏感药物。

实验结果

图 1：生物打印类器官的构建与应用

内容：展示从间充质干细胞(MSCs)、胚胎干细胞(ESCs)、多能干细胞(PSCs)等细胞来源与生物墨水制备，到通过生物打印技术构建类器官，最终应用于高通量药物筛选、软骨再生修复及关节软骨疾病建模的全流程，体现生物打印技术在调控细胞 - 材料互作及类器官功能成熟中的作用。

图 2：挤出式生物打印的应用

内容：A 图展示 TGM 墨水的打印过程，墨水冷却至 12.5℃后挤出到 37℃的 Synperonic® F-108 支撑浴中发生热凝胶化，交联完成后清洗残留支撑材料;B 图呈现 A0.5G10 和 A0.5G10SF5 生物墨水打印 MG-63 细胞的参数(如 10×10×3mm 网格、16% 填充密度等)及 20×20×3mm 蜂窝状结构的打印结果;C 图为挤出式生物墨水的示意图;D 图展示 κ- 卡拉胶微凝胶的制备流程，通过 W/O 乳液和机械搅拌形成球形微凝胶;E 图说明在 CarGrow 中培养可减少细胞构建体收缩，对比传统方法与在支撑材料中成熟的差异。

图 3：数字光处理生物打印的应用

内容：A 图展示基于两种 LTS 明胶基生物树脂的 DLP 生物打印过程，包括光引发剂对光的响应及交联反应;B 图呈现 LTS-GelMA 水凝胶打印的含可灌注流体网络的支架，如分支微流控芯片、螺旋管等，尺寸精度达 1mm;C 图为基于 DLP 的目标器官生物打印流程示意图;D 图展示可组合梯度 DLP 生物打印平台的配置及工作流程，包括微流控混合芯片的结构;E 图为生物墨水在 DLP 打印骨再生中的应用。

图 4：生物打印类器官的构建

内容：A 图展示用于关节软骨再生的 3D 生物打印双因子释放梯度结构 MSC 负载构建体，包括四层梯度 PCL 支架设计、生物墨水封装 BMSCs 与分化蛋白的复合水凝胶及在动物模型中的移植效果;B 图呈现生物材料诱导软骨形成的过程，间充质干细胞在含硫酸软骨素的材料中分化为软骨样细胞;C 图为 3D 生物打印流程及 BIO-ACG/0.1GO 支架的 102μm 孔径结构;D 图展示基于溶胀差异生长的 4D 打印概念，双层打印结构在刺激下发生形状转变;E 图为生物 3D 打印机系统，球形细胞在超低吸附 96 孔板中形成，由喷嘴自动拾取并按设计固定在 Kenzan 针上，打印构建体在反应器中培养成熟。

图 5：生物打印类器官在软骨修复中的潜力

内容：A 图展示基于 hMSC-AL/HA 生物墨水的 3D 生物打印 CBCs，包括 REGEMAT 生物打印机系统、CBCs 设计方案、生物墨水在 PLA 框架中的分配与交联过程及生物制造步骤;B 图呈现 RGD-SF-DNA 微球的合成及其在软骨类器官前体(COPs)制备和软骨再生中的应用;C 图为骨软骨外植体及高通量人类体外软骨类器官的实验时间线，包括照射(IR)、超生理机械负荷(ML)及组合模型的处理与分析。

全文总结

生物打印技术与类器官技术的融合为软骨修复提供了突破性方案 —— 通过挤出式或 DLP 打印技术，精准调控生物墨水(如复合水凝胶)和细胞(如 MSCs)的空间分布，可构建模拟天然软骨分层结构和功能的类器官。该技术在软骨再生(动物模型中实现全层缺损修复)、骨关节炎建模(模拟基质降解)及药物筛选中展现出巨大潜力。当前挑战包括生物墨水的力学性能优化、类器官长期稳定性及血管化等问题。未来需结合 4D 打印(动态变形适配关节曲面)和 AI 设计，提升仿生度和临床转化效率，为软骨缺损修复提供个性化、功能化解决方案。