科学家找到3D打印新方法:更接近天然软骨组织

必发娱乐手机版2016年11月28日讯  20世纪,没有一种医学技术像器官移植一样带给人们那么多的惊喜与希望。有人说20世纪是器官移植的世纪,它是19世纪医学史上最伟大的突破之一。然而,器官移植在很长时间内一直面临一个困境。一个器官的获取,是要以另一个人器官的失去为前提的,但主动或被动失去的器官远远要比所需的器官少得多。这是全世界都面临着的问题,3D生物打印机的出现或将解决这一问题。

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科学家找到3D打印新方法:更接近天然软骨组织

一种使用成股的软骨替代物做墨水的3D生物打印技术有朝一日可能会为磨损关节制造出软骨“补丁”,来自宾夕法尼亚州立大学(Penn State University)的一队科学家如是说。“我们的目标是创建出可以用于替换大量磨损组织或者可以用于设计补丁的组织。”该校工程科学与机械学助理教授 Ibrahim T. Ozbolat称,“尤其是那些患有骨关节炎的患者们,经常要忍受巨大痛苦。我们需要为此找到一种新的替代治疗方法。”

对于那些希望扩展生物打印技术的科学家们来说,软骨是一种很好的目标组织,因为它只有一种细胞类型,而且组织内没有血管。不过它也是无法自我修复的组织,软骨一旦损坏,就无法恢复。

在以前,科学家们关于培育软骨的尝试是从将细胞植入水凝胶(一种聚合物链组成的物质,90%的成分是水)开始的,这种水凝胶可以作为支架用于生长组织。

“水凝胶不允许细胞正常生长。”Ozbolat说,他也是宾夕法尼亚州Huck生命科学研究所的成员。“水凝胶限制了细胞,不允许细胞像在原生组织中那样相互沟通。”这导致最终产生的组织不具有足够的机械完整性。而且退化的水凝胶也会产生有毒的化合物,不利于细胞生长。

为此,Ozbolat和他的研究团队开发出了一种方法,无需使用支架即可制造出更大规模的组织。他们创建了一个很小的——直径仅为百分之三到百分之五英寸——藻酸盐(一种海藻萃取物)制成的管。科学家们将软骨细胞注入该管中,使他们在其中生长一个星期左右,导致彼此粘连起来。由于细胞不会粘到海藻上,他们可以将这个管子去除掉,留下一股(或者一缕)软骨。科学家们在其最新一期的《Scientific Reports》上报告了他们的研究成果。

最后,研究人员将成股的软骨代替生物墨水用于3D生物打印,这种3D生物打印机使用了专门设计的原型喷嘴,可以挤出这种软骨“线材”。这种3D打印机可以根据研究人员的需要将这些软骨“线材”铺成任何图案。大约半小时后,等这些软骨补丁相互之间有了足够的粘结力,并可以移到培养皿中之后,研究人员再把它们放在营养液里,使它们能够进一步融合成一块单一的组织。最终,这些成条的软骨“3D打印线材”会充分连接和融合在一起。

一片3D打印的软骨在营养液中的一块骨头底座上

“我们可以安照任何需要的长度制造出这些成股的软骨。”Ozbolat说:“因为没有支架,这个打印软骨的过程是可扩展的,所有我们可以获得比较大的补丁。我们可以通过垂直打印这些“线材”来模仿真实的关节软骨,或者横向来模仿自然的结构。”

据天工社了解,最终研究团队制造出来的人工牛软骨非常类似于原生的牛软骨。尽管其力学性能还是不如那些天然软骨,但是比使用水凝胶做支架的软骨要强。不过需要指出的是,天然软骨是在关节的压力环境中形成的,因此Ozbolat认为,如果对人工软骨施加机械压力将改善其力学性能。

另外,科学家们称这一过程也可以用于制造人体内的软骨,材料来源包括人体内现有的软骨或者通过干细胞分化为软骨细胞。

美国国家自然科学基金(NSF)、爱荷华价值成长基金( Grow Iowa Value Funds)和中国学术基金(China Scholarship Fund)支持了这项研究工作。

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