美国科学家开发新型生物墨水,能直接“打印”出骨组织

国际金属加工网 2020年05月22日

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3D打印技术不仅能用于工业,在医学上也有广泛的应用前景。此前,许多科学家已经在研究利用3D打印技术直接“打印”出人体组织。

近日,Akhilesh K. Gaharwar博士,一名副教授,已经开发出一种高度可打印的生物墨水,作为生成解剖级功能组织的平台。

这项研究最近发表在美国化学学会的《应用材料与界面》杂志上。

生物打印是一种新兴的增材制造方法,它利用水凝胶等生物材料,将它们与细胞和生长因子结合,然后打印出模拟自然组织的组织样结构。

这项技术的一个应用可能是设计针对病人的骨移植,这一领域正引起研究人员和临床医生的兴趣。

通过传统的治疗方法处理骨质缺损和损伤往往是缓慢和昂贵的。

Gaharwar说,发展替代骨组织可以为患有关节炎、骨折、牙齿感染和颅面缺陷的病人创造令人兴奋的新疗法。

生物打印技术需要充满细胞的生物材料,它们可以像液体一样通过喷嘴流动,但几乎一沉积下来就会凝固。

这些生物墨水需要同时作为细胞载体和结构成分,要求它们高度可打印,同时提供一个稳定的、对细胞友好的微环境。

然而,目前的生物油墨缺乏足够的生物相容性、印刷性、结构稳定性和组织特异的功能以将这项技术应用于临床前和临床应用。

为了解决这个问题,Gaharwar的研究小组正在努力开发先进的生物墨水,即纳米工程离子-共价纠缠(NICE)生物油墨。

NICE生物墨水是两种加固技术(非加固技术和离子共价网络技术)的结合,它们共同提供更有效的加固,从而形成更坚固的结构。

一旦生物印刷完成,充满细胞的NICE网络交联形成更坚固的支架。

这项技术使该实验室能够对人体部分进行全面的、细胞友好的重建,包括耳朵、血管、软骨甚至骨骼部分。

生物印刷后不久,封闭的细胞开始沉积富含软骨样细胞外基质的新蛋白,随后在三个月内钙化形成矿化骨。

几乎5%的打印支架由钙构成,类似于松质骨,松质骨是脊椎骨骼中常见的海绵状组织网络。

为了了解这些生物打印的结构如何诱导干细胞分化,使用了一种被称为全转录组测序(RNA-seq)的下一代基因组技术。RNA-seq在特定时刻捕捉细胞内所有遗传信息的快照。

该团队与德州农工大学健康科学中心的Irtisha Singh博士一起工作,后者是该团队的联合调查员。

Gaharwar说:“3D生物打印的下一个里程碑是生物打印构建体在功能组织生成方面的成熟。”

“我们的研究表明,我们实验室开发的NICE生物墨水可以用来制造3d功能性的骨组织。”在未来,Gaharwar的团队计划展示3d生物打印骨组织的体内功能。

此前,加州大学伯克利分校研究人员展示了一种新技术,能够在平面上快速打印多达10种不同类型的细胞或蛋白质的复杂图案。

加拿大的一组研究人员则已经成功地试验了一种新的手持3D皮肤打印机,这种打印机可以通过直接在伤口上“打印”新的皮肤细胞来治疗严重的烧伤。

(前瞻网)

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