WSU科學家在新型可定制的3D生物打印材料方面取得進展

2021年5月19日，南極熊獲悉,，華盛頓州立大學（WSU）機械與材料工程學院的一個研究小組開發(fā)了一種新型的、可定制的3D生物打印材料，旨在更好地模仿天然組織的結構,。

這種支架材料具有可定制的機械性能,，能夠在各種環(huán)境下更好地促進的自然細胞生長，為科學家提供了一種更可靠的定制組織制造途徑,。這項研究的負責人Arda Gozen教授表示這種材料作為一種易于打印的生物墨水有著光明的前景,。他認為，在未來醫(yī)生很可能只需要按下一個按鈕,，就能用這種材料生物打印出一個支架,，并按照需求為病人生產(chǎn)出可替代的皮膚、軟骨以及其他生物結構,。

Gozen解釋說道：“這種生物打印方法能否在制造功能組織方面獲得成功,，很大程度上要取決于制造的結構對本體組織的模仿程度。如果你想讓細胞生長并將其變成功能性組織,，你需要與本體組織所處的機械環(huán)境相匹配,。“

△ArdaGozen教授在生物打印實驗室,。照片來自WSU

3D生物打印的藝術

3D生物打印的最終目標是要制造整個替代器官,，這將會是一個里程碑式的跨越，將很大程度上消減移植所需的等待時間,，并為全世界的醫(yī)療健康系統(tǒng)減輕巨大的負擔,。目前，3D生物打印技術只能夠生產(chǎn)簡單的組織樣本,，即生物材料被一層層地沉積到支架上,，然后為細胞的生長提供一個培育的環(huán)境。

不幸的是,，生物的進化過程要遠比我們目前的高精度微沉積系統(tǒng)要復雜得多,，這意味著真正的生物細胞往往很難在人造的支架上生長。例如,，皮膚細胞喜歡在感覺像真實皮膚的支架上生長,，而肌肉細胞喜歡在感覺像真實肌肉的支架上生長。

3D生物打印的藝術主要在于欺騙到這些生物細胞,，使其認為自己被真實的東西所包圍,。研究人員對他們的支架進行微調的一個經(jīng)典案例是通過添加或移除支架，從而增加或減少結構的剛度,。雖然這種方法相對簡單,，但它并不能完全提供最終使用的組織工程所需的靈活性。

Gozen補充說："在打印過程中,，我們沒有太多的方向可以轉動,，但事實是你需要更多的自由度,，以圖在不改變結構的情況下創(chuàng)造出更軟或更硬的東西。"

△使用新型材料3D打印的一組支架,。照片來自WSU

可兼容的3D生物墨水

為了滿足生物相容性的需要,，華盛頓大學的團隊開發(fā)了一種具有可定制機械性能的新型生物墨水。這種生物墨水由明膠,、阿拉伯膠和海藻酸鈉制造,，它結合了三個化學過程，將三種成分 "綁 "在一起,，幾乎像一條編織繩,。調整獨立的化學過程使得科學家們能夠對最終支架的硬度進行微調，而不必通過支架來改變幾何形狀設計,。Gozen也認為這能夠在不改變支架設計的情況下調整性能,，并提供我們所尋求的額外自由度。

雖然這項工作仍處于早期階段,，但Gozen的團隊已經(jīng)用這種材料來3D打印鼻軟骨支架,。模擬天然組織的復雜性仍然是一個挑戰(zhàn)，但隨著打印參數(shù)或成分組成的變化,，該團隊相信它最終可以為更大規(guī)模的組織工程應用制造出可用的支架結構,。

Gozen總結說：“你在這里不是在組裝樂高積木,，因為這畢竟是要復制出能夠在人體中發(fā)揮作用的類天然組織結構,。盡管你可以制造出活體結構，但它們看起來與原生組織完全不同,。精確度是關鍵,，因為單體組織實現(xiàn)不了特定的機械性能�,！�

△一個3D打印的鼻子支架,。照片來自WSU

與此類似，賓夕法尼亞州立大學的研究人員此前開發(fā)了一種3D生物打印工藝,，能夠同時打印硬組織和軟組織,，以修復皮膚和骨骼損傷。使用兩種專門設計的生物匯和生物打印工藝,，該團隊能夠在幾分鐘內通過一次手術修復老鼠模型的頭骨和皮膚上的洞,。

此外，阿卜杜拉國王科技大學的科學家最近也開發(fā)了一種基于超短肽的3D打印水凝膠支架的新方法,，這個團隊是使用短的氨基酸鏈來配制用于組織工程的生物墨水,。

有關該研究的更多具體細節(jié)可以在題為 " 3D printed,mechanically tunable, composite sodium alginate, gelatin and Gum Arabic(SA-GEL-GA) scaffolds"的論文中看到。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405886621000063