3D打印新生物材料有助于骨骼修復再生

  骨組織工程(BTE)是材料科學和生物工程領域的一個新興領域，研究人員致力于設計一種理想的仿生材料，優(yōu)化當前的骨骼輔助修復手段。盡管目前還沒有實驗成果能從實驗臺上轉移到臨床領域，但在結合了各類尖端技術的研究中，已經出現(xiàn)不少令業(yè)內人士興奮的新方法。從實驗室的生物制造過程來看，細胞、蛋白質、生物成分和生物材料的相互作用，可以實現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模的再生醫(yī)學材料制造。

  德累斯頓大學(TU Dresden)醫(yī)學院轉化骨、關節(jié)和軟組織研究中心(Centre for Translational Bone，簡稱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，通過將活的生物細胞封裝在3D打印BTE材料的生物墨水中，建立類似于基質的支架。研究人員最初提出的制造方案，主要方向是為細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雜的工程，細胞和細胞外基質復雜的特性，使其天然難以使用現(xiàn)有技術再現(xiàn)。因此，組織工程的主要目標是，開發(fā)功能相似的結構和類似于組織或器官的生物/化學成分。由于生物礦化材料更適合設計骨骼模擬基質，格林斯基(Gelinsky)和他的同事們使用了一種多通道3D打印技術，將自定CPC與間充質干細胞生物墨水結合起來。這種含有人類細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)。

  總的來說，新型生物材料包括可標繪CPC、載有細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多通道擠壓，制成高剛度、骨狀礦物結構的支架以支持細胞生長。為了了解材料化學特性對骨擬態(tài)程度的影響，研究人員分別測試了alg/mc和CPC支架的單相成分，以及CPC-alg/mc細胞負載支架的兩相結合產物。

  因為藻酸鹽生物墨水中含有細胞，尤其是可以無限增長的間充質干細胞，它被認為可以用于大規(guī)模的生物打印和添加制造技術。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類似于細線的裝配體中，形成了一個大孔的網狀結構，為嵌入的細胞補充氧氣和營養(yǎng)。

  就目前而言，研究員們用立體光學顯微鏡和掃描電鏡觀察到的大孔結構，還只是實驗狀態(tài)下的簡化版本，只是為了確定支架在細胞生長和組織再生方面的潛力。接下來，他們還要研究更合適的孔隙結構，以支持輔助體內骨再生的生物植入物。

  3D打印的雙相支架經受住了通用測試系統(tǒng)的張力和壓縮機械測試，其支持細胞的能力也被細胞活力測試證明達標。由于本研究首次將CPC與alg/mc生物墨水兩相結合，因此工程過程必須進行優(yōu)化，以防止生物制造過程中的微裂紋，同時還需延續(xù)長期細胞相容性以保護嵌入細胞。

  在第一天支架放置時，CPC-bioink表面局部會出現(xiàn)細胞損傷，幾天后，當細胞開始向CPC鏈遷移進行增殖時，損傷會得到補償。這種遷移可能是由CPC的微粗糙度和表面剛度介導的，這對細胞的生長很有吸引力。由于最初的細胞毒性是由pH值下降引起的，所以作者建議，設計生物油墨時，需要考慮抵抗/緩沖生物制造過程中的pH值變化。

  在概念性方案中，作者推薦使用單相CPC構建軟骨下骨，用alg/mc構建軟骨成分，在表面分離出一種模擬鈣化軟骨的交織網狀帶，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中構建，通過控制細胞播種，促進表面組織再生，為今后BTE的轉化研究工作提供參考。

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