用于軟骨修復的手持式原位生物3D打印裝置

來源： EngineeringForLife  

骨關節(jié)炎在發(fā)達國家中是僅次于心血管疾病的最常見致殘原因,，由于骨關節(jié)炎早期的生理癥狀通常不易被發(fā)現(xiàn)且不能自我修復,，因此目前還沒有一種臨床策略能夠?qū)崟r地修復透明軟骨,。生物打印方法的主要優(yōu)點是能夠根據(jù)缺損或特定病變的解剖結構量身定做植入物,，然而軟骨損傷修復手術前可能無法準確地知道要填充的最終缺損的大小和形狀,，從而需要一種非外部構建替代組織，而是直接構建在傷口上或傷口內(nèi)的打印策略,。

來自澳大利亞臥龍崗大學智能聚合物研究所的Gordon GWallace團隊在Biofabrication雜志上發(fā)表的“Development of the Biopen: a handheld device for surgical printing of adipose stem cells at a chondral wound site”文章中,，研究人員開發(fā)了一種稱為“Biopen”的適用于手術室中的手持式原位生物打印裝置,，該裝置能夠以直接寫入的方式打印活細胞和GelMA/HAMA生物墨水。相比于機器人操作的生物打印機相比,，該制造方法具有可手動使用,、結構小巧靈活便于無菌操作及具有很好的生物相容性等優(yōu)點，非常適合應用于軟骨修復的臨床操作中,。

首先,，研究人員研制了一種手持式原位生物打印裝置，如圖1所示,。該裝置由一個生物墨水墨盒,、一個金屬打印噴嘴和一個365nm UV光源組成，生物墨水墨盒內(nèi)含有左右兩個墨水室,。研究人員通過氣壓擠出單獨控制每個墨水室材料的擠出,，通過UV光源實現(xiàn)打印材料的光固化。

圖1 手持式原位生物打印裝置的設計

接下來研究人員通過對GelMA/HAMA水凝膠的材料性能進行測試,，包括其流變學的剪切變稀測試及溫度掃描測試（圖2）和原位UV光固化測試（圖3）,，從而進一步確定打印參數(shù)。需要注意的是,，往GelMA中添加HAMA可以增加水凝膠的黏度，從而提高生物墨水的可打印性,，且在GelMA水凝膠中添加HAMA有助于提高組織工程軟骨結構的機械性能,。

圖2 流變學測試

圖3 UV光固化測試

其次，研究人員對手持式原位生物打印裝置的打印成型性進行了分析,，包括打印速度的穩(wěn)定性（圖4）以及擠出成絲（圖5）和二維圖案打�,。▓D6）的清晰度。

圖4 打印速度穩(wěn)定性實驗

圖5 GelMa/HAMa水凝膠擠出成絲

圖6 使用GelMA/HAMA生物墨水打印二維圖案（A手寫,，B直寫）

最后,，研究人員通過打印包裹著人類脂肪干細胞的GelMA/HAMA生物墨水來驗證其打印后的生物相容性。經(jīng)體外實驗表明,，人脂肪干細胞在GelMA/HAMA水凝膠中打印一周后仍能保持較高的活性(>97%),。

總的來說，該研究開發(fā)了一種提出了一種名為“Biopen”的手持式原位生物打印工具,，該工具能夠以手動或直寫的方式打印適用于軟骨修復的GelMA/HAMA水凝膠,。該研究中的手持式原位生物打印工具不僅為3D生物打印在軟骨、皮膚和骨骼組織再生領域手術過程中的應用提供了一種新的可能,。從長遠來看,，將手持式原位生物打印應用于臨床之中除了技術方面的考量之外還有倫理與監(jiān)管的考驗。雖然可能面對很多的問題,，但將手持式原位生物打印技術應用于臨床之中會對組織器官修復再生領域起到重大的推動作用,。

論文鏈接：
https://iopscience.iop.org/artic ... 090/8/1/015019/meta