震撼!可修复人体组织的3D打印生物墨水
来源 : 公开网络
作者 : 公开网络
时间 : 2021-05-21


3D打印(3D printing,又称增材制造、积层制造)是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术,该技术最早在20世纪80年代中期由美国提出。[1]3D打印常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生深刻影响,是制造业有代表性的颠覆性技术。



新型3D打印技术和材料创新在医学领域也做了很多贡献,例如,威克森林再生医学研究所(WFIRM)的科学家最近取得了技术突破,开发了3D生物打印一种软骨的技术,该技术有朝一日可以帮助恢复受损的膝盖功能。



一   3D打印修复软骨真的有那么神奇吗

在最近的概念验证中,科学家们用两种特种生物墨水打印了用于软骨再生的混合组织构造。两种生物墨水中含有包含细胞的水凝胶,共同构成了一种可实现细胞友好的微环境和结构完整性的新配方。



该过程由WFIRM研究人员开发的3D生物打印机“综合组织和器官打印系统”完成,其将可生物降解的类似于塑料的材料打印组织形状,再由含有细胞的生物墨水打印新组织和器官。

根据资料,3D打印技术在医疗领域的作用之广泛远超所有人想象。可以打印人造皮肤,手掌,心脏等等,因此3D打印技术如今能修复软骨也不是很意外的事情。

二  认识修复软骨的生物墨水

第一种生物墨水是结冷胶和纤维蛋白原的复合墨水,其可以促进人体自身的细胞重新住入。第二种生物墨水是一种丝素蛋白甲基丙烯酸酯,有助于保持结构强度和柔韧性。两种生物墨水组成的配方墨水以逐层共同打印,形成网状结构。

WFIRM指出,将需要进行更大的临床前研究来进一步研究人体的反应,以及使用这种再生药物治疗的关节功能恢复情况。这将有助于医学工作在正确的方向上发展,未来一日将能够为患者设计这种至关重要的组织。

三  生物墨水性能比较

生物墨水的性能可采用可打印性、生物兼容性及机械性能来评价。

“可打印性”用于评价墨水的成形性能,要求材料黏度可调可控、溶胶态到凝胶态的相变转换速度快、可打印工艺参数窗口宽;

“生物兼容性”用于评价墨水模拟细胞外基质的能力,要求墨水能尽可能地接近所打印细胞在体内的微环境,细胞能在凝胶化的墨水内增殖、伸展、分化并实现最终彼此间的通讯



机械性能要求凝胶化后的墨水有足够的强度来支持后续的培养及体内植入过程。通常打印后的结构需要体外培养一段时间,培养过程中可能会出现营养的灌注、降解等,要求结构必须有足够的强度支撑这一过程,同样植入体内时如果强度太低也会导致植入失败。

目前常用生物墨水比较

动物细胞分泌的细胞外基质主要由三大类成分组成:结构蛋白(胶原、弹性蛋白等)、专一蛋白(纤维蛋白等)及蛋白聚糖。最理想的生物墨水无疑就是能逼近天然的细胞外基质,因而不同的细胞所需的生物墨水也需要调整,原则上讲要尽可能添加细胞在体内生长时所需的物质。比如在打印软骨细胞时,添加一些透明质酸(软骨中常见的组分)会对后期的培养及功能化有较好的促进作用。目前最常用的海藻酸盐系生物墨水成形性能及机械性能较好,缺点是生物兼容性较弱,直接影响打印后细胞向组织的转化;而胶原类生物墨水由于来自动物体内,有很好的生物兼容性,缺点是成形速度慢,机械性能差,需要后续的改性或者混入其他材料中使用。而GelMA 材料兼具可打印性及可成形性两大优点,有望在生物3D 打印中获得广泛的应用。



从目前关于生物3D打印的报道来看,基本还是打印一些网格结构为主,真正实现类组织结构的打印还需要从打印工艺及打印方法上做很多努力。我们共同期待这一天的到来!


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