論文：用于3D生物打印骨組織的納米骨誘導(dǎo)生物墨水

德克薩斯農(nóng)工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的科學(xué)家們,，正在開發(fā)新型的生物墨水材料，以推動3D生物打印功能性骨組織的發(fā)展,。

2020年5月27日，南極熊從外媒獲悉，該校副教授Akhilesh K. Gaharwar博士創(chuàng)造了一種可3D打印的生物墨水,，可作為解剖學(xué)功能組織。Gaharwar的研究小組開發(fā)的新材料被稱為納米離子共價糾纏生物墨水(Nanoengineered Ionic-Covalent Entanglement (NICE)bioink),，其設(shè)計目的是為了克服目前生物墨水在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的不足,。在談到NICE生物墨水的好處時，Gaharwar表示："3D生物打印的下一個里程碑是功能組織,。我們的研究表明,，在我們實驗室開發(fā)的生物墨水可以用于工程化三維功能骨組織。"

△3D生物打印的NICE支架可用于骨再生,，照片來自德克薩斯農(nóng)工大學(xué)工程學(xué)院

生物打印骨組織

Gaharwar表示,，該技術(shù)的一個特別有用的應(yīng)用是在患者特異性骨移植中，這是一種替代缺失的骨質(zhì)以修復(fù)骨折的外科手術(shù),。由于治療骨缺損和損傷的傳統(tǒng)治療方法緩慢且昂貴,，用生物打印的組織替代骨組織，可以為患者創(chuàng)造令人興奮的治療方法,。這些可用于治療關(guān)節(jié)炎,、骨折、牙齒感染和顱骨缺損等缺陷和疾病,。

該領(lǐng)域的最新進(jìn)展來自萊斯大學(xué)和馬里蘭大學(xué)（UMD）,。這些機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們勾勒出了一種新的概念驗證，用于3D打印人工骨組織,，幫助修復(fù)與關(guān)節(jié)炎和運動事故相關(guān)的損傷,。

2019年底，俄羅斯生物技術(shù)研究實驗室的3D生物打印解決方案公司在國際空間站上,，在零重力下3D打印了生物骨組織,。利用其Organ.Aut 3D生物打印機(jī)，該實驗室的研究人員希望有朝一日能創(chuàng)造出真正的骨植入物,，供宇航員在漫長的星際任務(wù)中進(jìn)行移植,。

△Akhilesh Gaharwar博士和他的多學(xué)科團(tuán)隊正在尋找新的方法來設(shè)計和生產(chǎn)3D生物打印骨組織，圖片來自德克薩斯農(nóng)工大學(xué)工程學(xué)院

納米工程的生物鏈路用于更堅固的骨結(jié)構(gòu)

在生物打印過程中,，含有細(xì)胞的生物材料以液體形式流過噴嘴,，然后在沉積后立即凝固。這就要求生物墨水作為細(xì)胞載體和結(jié)構(gòu)成分,，在提供細(xì)胞友好的微環(huán)境的同時,，還必須具有高度的可打印性。

Gaharwar團(tuán)隊在論文中解釋說,，目前使用中的生物鍵缺乏足夠的生物相容性,、可打印性,、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和組織特異性功能，而這些都是臨床前和臨床應(yīng)用生物打印所需要的,。"由于缺乏能夠滿足3D打印和組織工程需求的生物墨水,，生物打印的潛在應(yīng)用受到了限制。例如,，理想的生物鍵必須能夠擠出成穩(wěn)定的3D結(jié)構(gòu),，同時在打印過程中和打印后還能保護(hù)細(xì)胞，并提供一個合適的環(huán)境,，可以重塑成目標(biāo)組織,。不幸的是，傳統(tǒng)的水凝膠很弱,，可打印性很差,。"

針對這一問題，Gaharwar的研究小組開發(fā)了專門用于3D骨生物打印的NICE生物墨水配方,。NICE生物墨水是兩種技術(shù)（非強化和離子共價網(wǎng)絡(luò)）的組合,。兩者結(jié)合使用，可提供有效的強化,，使骨結(jié)構(gòu)更加堅固,。"NICE生物鏈路允許精確控制可打印性、機(jī)械性能和降解特性,，實現(xiàn)了機(jī)械彈性,、細(xì)胞化結(jié)構(gòu)的定制化3D打印。"

一旦生物打印過程完成后,，含有細(xì)胞的NICE網(wǎng)絡(luò)會被交聯(lián),，形成更堅固的支架。利用這種技術(shù),，Gaharwar和他的團(tuán)隊已經(jīng)能夠制作出全尺寸的,、細(xì)胞友好型的人體部位重建，包括耳朵,、血管,、軟骨和骨節(jié)等。

在他們的測試中,，研究人員發(fā)現(xiàn)，封閉的細(xì)胞開始沉積新的蛋白質(zhì),，其中含有一種類似軟骨的細(xì)胞外基質(zhì),，隨后在三個月的時間里，這些細(xì)胞會鈣化,，形成礦化的骨骼,。這些3D生物打印的支架中,，有5%是由鈣質(zhì)組成的，這與松質(zhì)骨類似,，是椎骨中典型的海綿狀組織網(wǎng)絡(luò),。

利用他們的生物墨水和研究成果，Gaharwar的團(tuán)隊計劃展示3D生物打印骨組織的體內(nèi)功能,。

該研究報告 "Nanoengineered Osteoinductive Bioink for 3D Bioprinting Bone Tissue "發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上,。作者為David Chimene、Logan Miller,、Lauren M. Cross,、Manish K. Jaiswal、Irtisha Singh和Akhilesh K. Gaharwar,。