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受乐高启发,俄勒冈州研究人员开发出3D打印 "骨砖"发布日期:2020-07-27 浏览次数:

2020年7月27日,南极熊从外媒获悉,俄勒冈健康与科学大学(OHSU)的研究人员已经3D打印出微型乐高式的 "骨砖",这种骨砖有可能能够治愈断裂的骨骼组织。

研究人员的微小空心砖只有小跳蚤大小,可以作为支架,硬组织和软组织都可以在上面重新生长。此外,模块的可堆叠性使它们能够像玩具砖一样相互交错,提供可扩展性以及数千种潜在的几何配置。最终,俄勒冈州团队的目标是扩大该技术的规模,并使用微笼来生产实验室制造的器官,以代替人类移植。

OHSU医学院生物医学工程副教授Luiz Bertassoni博士说:"我们正在申请专利的支架非常易于使用,它可以像乐高积木一样堆叠在一起,并以数千种不同的配置放置,以匹配几乎任何情况的复杂性和大小,"

受乐高启发,俄勒冈州研究人员开发出3D打印 "骨砖"(图1)
俄勒冈团队的 "骨砖"(如图),能够被堆叠成超过29000种组合,图片来自《先进科学》杂志


3D打印的生物材料支架

近年来,打印支架生物结构已成为越来越热门的研究课题,特别是在组织工程或再生医学中的应用。此外,3D打印技术的进步使得患者特异性的可植入结构的设计更具可扩展性,在某些情况下,它们现在甚至可以在医院内现场生产。因此,组装这些复杂的组织不再需要专业设备,这反过来又缩短了与植入物生产相关的准备时间。

然而,理想的支架系统的开发仍被证明是难以捉摸的,这也是该技术没有在医院环境中得到更广泛采用的原因之一。理想的组织支架需要与特定的缺陷架构兼容,但同时也要允许细胞、生长因子和水凝胶的可控加载。此外,根据科罗拉多团队的说法,组织的时间控制对于组织在移植材料内的生长至关重要。

俄勒冈团队的3D打印骨砖

传统上,骨科医生通过将金属棒或金属板植入患者体内来修复复杂的骨折,以稳定骨骼。只有在手术后期,才会使用包装有粉末或糊状物的生物相容性支架材料,以促进愈合。俄勒冈团队则开发了一种新型的支架系统,它能精确地将填充有少量生长因子凝胶的空心块,放置在最接近需要它们的地方。

研究合著者Ramesh Subbiah博士解释说:"3D打印微笼技术通过刺激正确类型的细胞在正确的地方、在正确的时间生长来改善愈合,不同的生长因子可以放置在每个块内,使我们能够更精确和快速地修复组织。"

该团队的微笼内部是中空的,这使得它们能够以可控的方式装载不同生物凝胶成分,并创建具有空间定义的支架。作为概念验证,该团队3D打印了一些加载了含有各种生长因子的微观颗粒状水凝胶的块。结果显示,细胞已经以快速和可控的方式进入了支架,从而加速了新组织的形成和愈合过程。

受乐高启发,俄勒冈州研究人员开发出3D打印 "骨砖"(图2)
每块砖(如图)都是1.5毫米的立方体,也就是小跳蚤的面积左右,图片来自OHSU


测试研究人员的3D打印模块化设计

利用一种β-磷酸三钙陶瓷和基于光刻技术的陶瓷制造(LCM)3D打印技术,该团队创造了许多模块化的微型笼子。该过程产生了尺寸为3.375 mm3的块,中空尺寸为1.5×1.5×1.5 mm,壁厚为230-560 μm。总之,利用样品砖,研究人员很容易就能生产出各种形状的砖块,同时在其周边保持一致的轮廓。

通过使用四层4×4砖块,俄勒冈团队计算出总共有29413种配置是可能的,这凸显了该技术在患者定制骨支架方面的潜力。为了说明他们的方法对其他刚性聚合物材料的适应性,他们使用甲基丙烯酸酯基树脂创建了一些其他砖块,这种树脂经常在类似的再生程序中使用。

为了证明支架在再生应用中的潜力,该团队使用数字光处理(DLP)3D打印创造了一系列异形产品,包括一个五角花状的几何形状。然后,不同的人类重组生长因子组合被手动加载到不同形状的模块内。叠加后,双层块的强度明显降低到13.8兆帕,但这仍远高于报道的普通颌骨的3.9兆帕。

更重要的是,进一步的实验发现,在修复后的大鼠骨骼附近放置充满生长因子的块体,导致血管生长的数量是传统支架材料的3倍左右。因此,研究人员得出结论,虽然他们的方法已经针对硬组织的修复进行了优化,但这个概念可能适用于其他组织再生应用。通过更多的研究,俄勒冈州的团队认为,模块化的方法可以用于修复大型动物的更复杂的骨折,甚至可以用于制造人类移植的器官。

增材制造与骨修复

世界各地学术机构的一些研究人员已经在探索3D生物打印植骨的概念。例如,曼彻斯特大学的研究人员已经开发出了与俄勒冈团队类似的骨砖。该装置是为了应对叙利亚难民营的紧急医疗需求而创造的。

受乐高启发,俄勒冈州研究人员开发出3D打印 "骨砖"(图3)


与此同时,代尔夫特理工大学的研究人员设计并打印了一种具有抗菌性的多孔钛骨植入物。该移植体的协同抗菌行为可能会产生一种新型的植入物,这种植入物可以用最少的维护费用延长患者的寿命。

受乐高启发,俄勒冈州研究人员开发出3D打印 "骨砖"(图4)


德克萨斯农工大学的科学家们则将3D打印、生物材料工程和干细胞生物学结合起来,创造出新型的、更高效的面部骨移植。这种高度成骨的支架不仅能促进骨细胞的生长,还能作为骨再生的坚固平台。

受乐高启发,俄勒冈州研究人员开发出3D打印 "骨砖"(图5)

为了开发和评估这项技术,俄勒冈大学团队与来自OHSU、俄勒冈大学、纽约大学和泰国Mahidol大学的同事合作。研究人员的研究结果详见他们发表在《先进材料》杂志上的题为 "3D Printing of Microgel‐Loaded Modular Microcages as Instructive Scaffolds for Tissue Engineering "的论文。

该报告由Ramesh Subbiah、Christina Hipfinger、Anthony Tahayeri、Avathamsa Athirasala、Sivaporn Horsophonphong、Greeshma Thrivikraman、Cristiane Miranda França、Diana Araujo Cunha、Amin Mansoorifar、Albena Zahariev、James M. Jones、Paulo G.Coelho、Lukasz Witek、Hua Xie、Robert E.Guldberg和Luiz E.Bertasson。


文章来源:南极熊 http://nanjixiong.com/thread-142431-1-1.html


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