3D打印新生物材料有助于骨骼修復(fù)再生

  骨組織工程(BTE)是材料科學(xué)和生物工程領(lǐng)域的一個(gè)新興領(lǐng)域，研究人員致力于設(shè)計(jì)一種理想的仿生材料，優(yōu)化當(dāng)前的骨骼輔助修復(fù)手段。盡管目前還沒有實(shí)驗(yàn)成果能從實(shí)驗(yàn)臺(tái)上轉(zhuǎn)移到臨床領(lǐng)域，但在結(jié)合了各類尖端技術(shù)的研究中，已經(jīng)出現(xiàn)不少令業(yè)內(nèi)人士興奮的新方法。從實(shí)驗(yàn)室的生物制造過程來看，細(xì)胞、蛋白質(zhì)、生物成分和生物材料的相互作用，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模的再生醫(yī)學(xué)材料制造。

  德累斯頓大學(xué)(TU Dresden)醫(yī)學(xué)院轉(zhuǎn)化骨、關(guān)節(jié)和軟組織研究中心(Centre for Translational Bone，簡(jiǎn)稱CBT)的研究人員在《生物制造》(Biofabrication)雜志上撰文指出，他們研發(fā)了一種磷酸鈣接合劑配方，通過將活的生物細(xì)胞封裝在3D打印BTE材料的生物墨水中，建立類似于基質(zhì)的支架。研究人員最初提出的制造方案，主要方向是為細(xì)胞在糊狀磷酸鈣骨接合劑(CPC)中存活提供最佳條件，隨后，他們又提出了一種用于骨發(fā)育和軟骨發(fā)育的軟骨組織移植模型。

  制造仿生材料是高度復(fù)雜的工程，細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)復(fù)雜的特性，使其天然難以使用現(xiàn)有技術(shù)再現(xiàn)。因此，組織工程的主要目標(biāo)是，開發(fā)功能相似的結(jié)構(gòu)和類似于組織或器官的生物/化學(xué)成分。由于生物礦化材料更適合設(shè)計(jì)骨骼模擬基質(zhì)，格林斯基(Gelinsky)和他的同事們使用了一種多通道3D打印技術(shù)，將自定CPC與間充質(zhì)干細(xì)胞生物墨水結(jié)合起來。這種含有人類細(xì)胞的生物墨水是用海藻酸酯甲基纖維素(alg/mc)混合制成的，由同組研究人員早前研發(fā)。

  總的來說，新型生物材料包括可標(biāo)繪CPC、載有細(xì)胞的生物墨水和納米晶羥基磷灰石(HAp)，在3D打印生物支架生物淋溶器中通過多通道擠壓，制成高剛度、骨狀礦物結(jié)構(gòu)的支架以支持細(xì)胞生長(zhǎng)。為了了解材料化學(xué)特性對(duì)骨擬態(tài)程度的影響，研究人員分別測(cè)試了alg/mc和CPC支架的單相成分，以及CPC-alg/mc細(xì)胞負(fù)載支架的兩相結(jié)合產(chǎn)物。

  因?yàn)樵逅猁}生物墨水中含有細(xì)胞，尤其是可以無限增長(zhǎng)的間充質(zhì)干細(xì)胞，它被認(rèn)為可以用于大規(guī)模的生物打印和添加制造技術(shù)。為了制作支架材料，CPC和生物墨水都以3D打印的方式繪制在一個(gè)類似于細(xì)線的裝配體中，形成了一個(gè)大孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，為嵌入的細(xì)胞補(bǔ)充氧氣和營(yíng)養(yǎng)。

  就目前而言，研究員們用立體光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察到的大孔結(jié)構(gòu)，還只是實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的簡(jiǎn)化版本，只是為了確定支架在細(xì)胞生長(zhǎng)和組織再生方面的潛力。接下來，他們還要研究更合適的孔隙結(jié)構(gòu)，以支持輔助體內(nèi)骨再生的生物植入物。

  3D打印的雙相支架經(jīng)受住了通用測(cè)試系統(tǒng)的張力和壓縮機(jī)械測(cè)試，其支持細(xì)胞的能力也被細(xì)胞活力測(cè)試證明達(dá)標(biāo)。由于本研究首次將CPC與alg/mc生物墨水兩相結(jié)合，因此工程過程必須進(jìn)行優(yōu)化，以防止生物制造過程中的微裂紋，同時(shí)還需延續(xù)長(zhǎng)期細(xì)胞相容性以保護(hù)嵌入細(xì)胞。

  在第一天支架放置時(shí)，CPC-bioink表面局部會(huì)出現(xiàn)細(xì)胞損傷，幾天后，當(dāng)細(xì)胞開始向CPC鏈遷移進(jìn)行增殖時(shí)，損傷會(huì)得到補(bǔ)償。這種遷移可能是由CPC的微粗糙度和表面剛度介導(dǎo)的，這對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)很有吸引力。由于最初的細(xì)胞毒性是由pH值下降引起的，所以作者建議，設(shè)計(jì)生物油墨時(shí)，需要考慮抵抗/緩沖生物制造過程中的pH值變化。

  在概念性方案中，作者推薦使用單相CPC構(gòu)建軟骨下骨，用alg/mc構(gòu)建軟骨成分，在表面分離出一種模擬鈣化軟骨的交織網(wǎng)狀帶，從而制造出一種用于BTE的3D打印生物原位骨軟骨支架。這種支架可以在臨床手術(shù)中構(gòu)建，通過控制細(xì)胞播種，促進(jìn)表面組織再生，為今后BTE的轉(zhuǎn)化研究工作提供參考。

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