Direct 3D Printing of High Strength Biohybrid Gradient Hydrogel Scaffolds for Efficient Repair of Osteochondral Defect

材料科学 共聚物 极限抗拉强度 组织工程 3D生物打印 脚手架 自愈水凝胶 挤压 生物医学工程 复合材料 聚合物 高分子化学 医学
作者
Fei Gao,Ziyang Xu,Qingfei Liang,Bo Liu,Haofei Li,Yuanhao Wu,Yinyu Zhang,Zifeng Lin,Mingming Wu,Changshun Ruan,Wenguang Liu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:28 (13) 被引量:318
标识
DOI:10.1002/adfm.201706644
摘要

Abstract The emerging 3D printing technique allows for tailoring hydrogel‐based soft structure tissue scaffolds for individualized therapy of osteochondral defects. However, the weak mechanical strength and uncontrollable swelling intrinsic to conventional hydrogels restrain their use as bioinks. Here, a high‐strength thermoresponsive supramolecular copolymer hydrogel is synthesized by one‐step copolymerization of dual hydrogen bonding monomers, N ‐acryloyl glycinamide, and N ‐[tris(hydroxymethyl)methyl] acrylamide. The obtained copolymer hydrogels demonstrate excellent mechanical properties—robust tensile strength (up to 0.41 MPa), large stretchability (up to 860%), and high compressive strength (up to 8.4 MPa). The rapid thermoreversible gel ⇔ sol transition behavior makes this copolymer hydrogel suitable for direct 3D printing. Successful preparation of 3D‐printed biohybrid gradient hydrogel scaffolds is demonstrated with controllable 3D architecture, owing to shear thinning property which allows continuous extrusion through a needle and also immediate gelation of fluid upon deposition on the cooled substrate. Furthermore, this biohybrid gradient hydrogel scaffold printed with transforming growth factor beta 1 and β‐tricalciumphosphate on distinct layers facilitates the attachment, spreading, and chondrogenic and osteogenic differentiation of human bone marrow stem cells (hBMSCs) in vitro. The in vivo experiments reveal that the 3D‐printed biohybrid gradient hydrogel scaffolds significantly accelerate simultaneous regeneration of cartilage and subchondral bone in a rat model.
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