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3D打印新生物材料有助于骨骼修复再生

文章来源:网络人气:178发表时间:2018-08-24 11:37:39

  骨组织工程(BTE)是材料科学和生物工程领域的一个新兴领域,研究人员致力于设计一种理想的仿生材料,优化当前的骨骼辅助修复手段。尽管目前还没有实验成果能从实验台上转移到临床领域,但在结合了各类尖端技术的研究中,已经出现不少令业内人士兴奋的新方法。从实验室的生物制造过程来看,细胞、蛋白质、生物成分和生物材料的相互作用,可以实现工业化规模的再生医学材料制造。

  德累斯顿大学(TUDresden)医学院转化骨、关节和软组织研究中心(CentreforTranslationalBone,简称CBT)的研究人员在《生物制造》(Biofabrication)杂志上撰文指出,他们研发了一种磷酸钙接合剂配方,通过将活的生物细胞封装在3D打印BTE材料的生物墨水中,建立类似于基质的支架。研究人员最初提出的制造方案,主要方向是为细胞在糊状磷酸钙骨接合剂(CPC)中存活提供最佳条件,随后,他们又提出了一种用于骨发育和软骨发育的软骨组织移植模型。

3D打印新生物材料有助于骨骼修复再生

  制造仿生材料是高度复杂的工程,细胞和细胞外基质复杂的特性,使其天然难以使用现有技术再现。因此,组织工程的主要目标是,开发功能相似的结构和类似于组织或器官的生物/化学成分。由于生物矿化材料更适合设计骨骼模拟基质,格林斯基(Gelinsky)和他的同事们使用了一种多通道3D打印技术,将自定CPC与间充质干细胞生物墨水结合起来。这种含有人类细胞的生物墨水是用海藻酸酯甲基纤维素(alg/mc)混合制成的,由同组研究人员早前研发。

  总的来说,新型生物材料包括可标绘CPC、载有细胞的生物墨水和纳米晶羟基磷灰石(HAp),在3D打印生物支架生物淋溶器中通过多通道挤压,制成高刚度、骨状矿物结构的支架以支持细胞生长。为了了解材料化学特性对骨拟态程度的影响,研究人员分别测试了alg/mc和CPC支架的单相成分,以及CPC-alg/mc细胞负载支架的两相结合产物。

  因为藻酸盐生物墨水中含有细胞,尤其是可以无限增长的间充质干细胞,它被认为可以用于大规模的生物打印和添加制造技术。为了制作支架材料,CPC和生物墨水都以3D打印的方式绘制在一个类似于细线的装配体中,形成了一个大孔的网状结构,为嵌入的细胞补充氧气和营养。

  就目前而言,研究员们用立体光学显微镜和扫描电镜观察到的大孔结构,还只是实验状态下的简化版本,只是为了确定支架在细胞生长和组织再生方面的潜力。接下来,他们还要研究更合适的孔隙结构,以支持辅助体内骨再生的生物植入物。

  3D打印的双相支架经受住了通用测试系统的张力和压缩机械测试,其支持细胞的能力也被细胞活力测试证明达标。由于本研究首次将CPC与alg/mc生物墨水两相结合,因此工程过程必须进行优化,以防止生物制造过程中的微裂纹,同时还需延续长期细胞相容性以保护嵌入细胞。

  在第一天支架放置时,CPC-bioink表面局部会出现细胞损伤,几天后,当细胞开始向CPC链迁移进行增殖时,损伤会得到补偿。这种迁移可能是由CPC的微粗糙度和表面刚度介导的,这对细胞的生长很有吸引力。由于最初的细胞毒性是由pH值下降引起的,所以作者建议,设计生物油墨时,需要考虑抵抗/缓冲生物制造过程中的pH值变化。

  在概念性方案中,作者推荐使用单相CPC构建软骨下骨,用alg/mc构建软骨成分,在表面分离出一种模拟钙化软骨的交织网状带,从而制造出一种用于BTE的3D打印生物原位骨软骨支架。这种支架可以在临床手术中构建,通过控制细胞播种,促进表面组织再生,为今后BTE的转化研究工作提供参考。


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