一種使用成股的軟骨替代物做墨水的3D生物打印技術(shù)有朝一日可能會為磨損關(guān)節(jié)制造出軟骨“補(bǔ)丁”，來自賓夕法尼亞州立大學(xué)（Penn State University）的一隊科學(xué)家如是說。
“我們的目標(biāo)是創(chuàng)建出可以用于替換大量磨損組織或者可以用于設(shè)計補(bǔ)丁的組織。”該校工程科學(xué)與機(jī)械學(xué)助理教授Ibrahim T. Ozbolat稱，“尤其是那些患有骨關(guān)節(jié)炎的患者們，經(jīng)常要忍受巨大痛苦。我們需要為此找到一種新的替代治療方法。”
對于那些希望擴(kuò)展生物打印技術(shù)的科學(xué)家們來說，軟骨是一種很好的目標(biāo)組織，因為它只有一種細(xì)胞類型，而且組織內(nèi)沒有血管。不過它也是無法自我修復(fù)的組織，軟骨一旦損壞，就無法恢復(fù)。
在以前，科學(xué)家們關(guān)于培育軟骨的嘗試是從將細(xì)胞植入水凝膠（一種聚合物鏈組成的物質(zhì)，90%的成分是水）開始的，這種水凝膠可以作為支架用于生長組織。
“水凝膠不允許細(xì)胞正常生長。”Ozbolat說，他也是賓夕法尼亞州Huck生命科學(xué)研究所的成員。“水凝膠限制了細(xì)胞，不允許細(xì)胞像在原生組織中那樣相互溝通。”這導(dǎo)致最終產(chǎn)生的組織不具有足夠的機(jī)械完整性。而且退化的水凝膠也會產(chǎn)生有毒的化合物，不利于細(xì)胞生長。
為此，Ozbolat和他的研究團(tuán)隊開發(fā)出了一種方法，無需使用支架即可制造出更大規(guī)模的組織。他們創(chuàng)建了一個很小的——直徑僅為百分之三到百分之五英寸——藻酸鹽（一種海藻萃取物）制成的管?？茖W(xué)家們將軟骨細(xì)胞注入該管中，使它們在其中生長一個星期左右，導(dǎo)致彼此粘連起來。由于細(xì)胞不會粘到海藻上，他們可以將這個管子去除掉，留下一股（或者一縷）軟骨。科學(xué)家們在其最新一期的《Scientific Reports》上報告了他們的研究成果。
最后，研究人員將成股的軟骨代替生物墨水用于3D生物打印，這種3D生物打印機(jī)使用了專門設(shè)計的原型噴嘴，可以擠出這種軟骨“線材”。這種3D打印機(jī)可以根據(jù)研究人員的需要將這些軟骨“線材”鋪成任何圖案。大約半小時后，等這些軟骨補(bǔ)丁相互之間有了足夠的粘結(jié)力，并可以移到培養(yǎng)皿中之后，研究人員再把它們放在營養(yǎng)液里，使它們能夠進(jìn)一步融合成一塊單一的組織。最終，這些成條的軟骨“3D打印線材”會充分連接和融合在一起。
一片3D打印的軟骨在營養(yǎng)液中的一塊骨頭底座上
“我們可以安照任何需要的長度制造出這些成股的軟骨。”Ozbolat說：“因為沒有支架，這個打印軟骨的過程是可擴(kuò)展的，所有我們可以獲得比較大的補(bǔ)丁。我們可以通過垂直打印這些“線材”來模仿真實(shí)的關(guān)節(jié)軟骨，或者橫向來模仿自然的結(jié)構(gòu)。”
據(jù)了解，最終研究團(tuán)隊制造出來的人工牛軟骨非常類似于原生的牛軟骨。盡管其力學(xué)性能還是不如那些天然軟骨，但是比使用水凝膠做支架的軟骨要強(qiáng)。不過需要指出的是，天然軟骨是在關(guān)節(jié)的壓力環(huán)境中形成的，因此Ozbolat認(rèn)為，如果對人工軟骨施加機(jī)械壓力將改善其力學(xué)性能。
另外，科學(xué)家們稱這一過程也可以用于制造人體內(nèi)的軟骨，材料來源包括人體內(nèi)現(xiàn)有的軟骨或者通過干細(xì)胞分化為軟骨細(xì)胞。
美國國家自然科學(xué)基金（NSF）、愛荷華價值成長基金（ Grow Iowa Value Funds）和中國學(xué)術(shù)基金（China Scholarship Fund）支持了這項研究工作。
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