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(méi)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(guò)程來(lái)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(guò)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(kāi)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(lái),。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(lái)說(shuō),，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(guò)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(wú)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(lái)，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(guò)程必須進(jìn)行優(yōu)化，以防止生物制造過(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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。

來(lái)源：前瞻網(wǎng)