賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種生物3D打印工藝，該工藝能夠同時(shí)打印硬組織和軟組織，以修復(fù)皮膚和骨骼的損傷。使用兩個(gè)專門設(shè)計(jì)的生物墨水和生物打印工藝，該團(tuán)隊(duì)能夠在一個(gè)步驟中在幾分鐘內(nèi)修復(fù)大鼠模型的頭骨和皮膚上的孔。研究人員的目標(biāo)是最終將他們的研究成果轉(zhuǎn)化為人類應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)更快，更有效的皮膚和骨骼愈合方法。
“這項(xiàng)工作具有臨床意義，”賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)與力學(xué)，生物醫(yī)學(xué)工程與神經(jīng)外科工程學(xué)和力學(xué)的副教授Ibrahim T. Ozbolat說：“處理復(fù)合缺陷，一次固定硬組織和軟組織是困難的。對(duì)于顱面區(qū)域，結(jié)果必須在美學(xué)上令人愉悅。沒有一種手術(shù)方法可以一次修復(fù)軟組織和硬組織。這就是為什么我們?cè)噲D證明一種技術(shù)，以便我們一次可以重建整個(gè)缺陷-骨到表皮。”
修復(fù)皮膚和骨骼受傷
由于涉及的不同類型組織的多層，修復(fù)面部和顱骨的皮膚和骨骼的創(chuàng)傷非常具有挑戰(zhàn)性。當(dāng)前的方法包括使用患者身體另一部分的骨頭，該骨頭必須覆蓋在軟組織中，并且血液也要從其他地方采集，然后分別修復(fù)軟組織和皮膚。近年來，用于再生醫(yī)學(xué)和組織工程的3D打印生物結(jié)構(gòu)越來越受到關(guān)注。正在為這些應(yīng)用不斷開發(fā)新的生物墨水，并將3D打印與生物材料工程和干細(xì)胞生物學(xué)等技術(shù)相結(jié)合，以創(chuàng)建更廣泛的可定制骨移植材料。
例如，僅在過去的一年中，研究人員就研究了3D打印的樂高式“骨頭磚”如何治愈破碎的骨骼組織，3D生物打印的納米復(fù)合材料支架可以促進(jìn)骨形成的方式以及3D打印的包含活細(xì)胞的陶瓷結(jié)構(gòu)如何在骨組織工程應(yīng)用中具有潛在用途。關(guān)于軟組織，已經(jīng)出現(xiàn)了3D打印的產(chǎn)生T細(xì)胞的水凝膠，3D生物打印的定制化鼻軟骨以用于術(shù)后面部變形的患者，以及支持長(zhǎng)期細(xì)胞存活的3D打印的水凝膠。然而，根據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員，尚未實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)軟組織和硬組織進(jìn)行3D打印的方法，這促使他們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
KAUST的3D打印水凝膠可支持長(zhǎng)期細(xì)胞存活，并具有再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛力。圖片來自KAUST。
對(duì)硬組織和軟組織進(jìn)行生物打印
為了解決上述挑戰(zhàn)，Ozbolat和他的團(tuán)隊(duì)使用了擠壓和液滴生物打印技術(shù)的組合來沉積細(xì)胞和載體材料的混合物，以產(chǎn)生骨骼和軟組織，用于修復(fù)大鼠模型的顱骨損傷。研究人員首先關(guān)注骨骼修復(fù)的元素。他們開發(fā)了一種由膠原蛋白，殼聚糖，納米羥基磷灰石和間充質(zhì)干細(xì)胞組成的“硬組織墨水”，它們是在骨髓中發(fā)現(xiàn)的能產(chǎn)生骨骼，軟骨和骨髓脂肪的多能細(xì)胞。骨骼在室溫下擠出，一旦施加后加熱至體溫，以刺激膠原蛋白和墨水其他部分的交聯(lián)。這消除了添加交聯(lián)劑的化學(xué)變化的需要。
為了制造軟組織，研究人員使用液滴3D打印技術(shù)在具有交聯(lián)和生長(zhǎng)促進(jìn)化合物的交替層中沉積膠原蛋白和纖維蛋白原。印刷的軟組織層在成分上有所不同，以反映皮膚層的變化。
該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分別使用每種技術(shù)修復(fù)直徑為6mm的孔。一旦證明成功，他們便開始在同一手術(shù)過程中修復(fù)硬組織和軟組織。Ozbolat說：“這種方法是一個(gè)極富挑戰(zhàn)性的過程，實(shí)際上，我們花了大量時(shí)間來尋找適合骨骼，皮膚和正確的生物打印技術(shù)的材料。”
皮膚和骨骼生物打印過程的示意圖。圖片來自賓夕法尼亞州立大學(xué)Ozbolat實(shí)驗(yàn)室。
同時(shí)進(jìn)行生物打印
首先，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了成像處理，以精確確定缺陷的幾何形狀。然后對(duì)骨骼層進(jìn)行3D打印，在其上沉積模仿骨膜的屏障層-圍繞顱骨的血管化組織層-以防止皮膚層細(xì)胞遷移到骨骼區(qū)域并在那里生長(zhǎng)。接下來，研究人員以3D方式打印模仿皮膚的真皮和表皮的軟組織層。根據(jù)Ozbolat的說法，不到3分鐘即可將骨骼層和軟組織3D打印在一起。
在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員進(jìn)行了50多次缺損閉合，并在4周內(nèi)實(shí)現(xiàn)了100％的軟組織閉合。六周內(nèi)，骨組織的閉合率為80％。值得注意的是，據(jù)中國(guó)3D打印網(wǎng)了解，即使采用更傳統(tǒng)的收獲式骨替代方法，骨閉合在6周內(nèi)也很少達(dá)到100％。
該項(xiàng)目的下一步是添加血管化化合物，以增加流向骨骼的血液。最終，該小組希望將他們的研究成果轉(zhuǎn)化為人類應(yīng)用，目前正在賓夕法尼亞州荷西醫(yī)學(xué)中心與神經(jīng)外科醫(yī)師，顱頜面外科醫(yī)師和整形外科醫(yī)師合作，使用更大的生物打印設(shè)備來進(jìn)行測(cè)試。
來源：中國(guó)3D打印網(wǎng)
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