描述

一種新型墨水使生物工程師能夠在室溫下打印出含有活細(xì)胞的人造骨骼。

3D打印包括角膜、血管和皮膚在內(nèi)的活體組織絕非易事，畢竟這些都是活組織。相比之下，骨骼是一種高度結(jié)構(gòu)化的礦物基質(zhì)中的活性和無(wú)機(jī)化合物的混合物。

換言之，3D打印骨骼是挑戰(zhàn)中的挑戰(zhàn)。

這就是為什么生物工程師們嘗試了這么多不同的材料來(lái)制作他們的合成骨骼，包括水凝膠、熱塑性塑料和生物陶瓷?，F(xiàn)在，澳大利亞悉尼新南威爾士大學(xué)的一個(gè)研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種陶瓷墨水，這種墨水可以在室溫下用活細(xì)胞進(jìn)行3D打印，使他們能夠打印出在一定時(shí)間內(nèi)硬化的骨狀結(jié)構(gòu)，這是比早期技術(shù)顯著的改進(jìn)。研究人員表示，這項(xiàng)新技術(shù)最終可能被用于將骨骼直接打印到患者體內(nèi)。

“與以前的材料不同，我們的技術(shù)提供了一種原位打印結(jié)構(gòu)的方法，可以模擬骨骼的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，”該研究的合著者，新南威爾士大學(xué)化學(xué)學(xué)院的生物工程師Iman Roohani如此表示?！皺C(jī)會(huì)是無(wú)限的。”在最近發(fā)表在《高級(jí)功能材料》上的一篇研究論文中，研究人員描述了他們?nèi)绾卧诰哂谢罴?xì)胞的微凝膠基質(zhì)中開發(fā)特殊墨水。

3D打印骨組織在醫(yī)學(xué)和研究方面有著豐富的應(yīng)用：模擬骨骼疾??；藥物篩選；研究骨骼獨(dú)特的微環(huán)境；也許最顯著的是，在創(chuàng)傷、癌癥或其他疾病中修復(fù)受損的骨骼。目前修復(fù)骨的金標(biāo)準(zhǔn)是自體骨移植，從患者身體的另一部分獲取骨。不幸的是，自體移植物與高感染率有關(guān)，如果所需的骨材料太多，就不起作用。

為了創(chuàng)造一種盡可能類似于自體移植的合成骨材料，新南威爾士大學(xué)的生物化學(xué)家Kristopher Kilian和同事們制造了一種墨水，這種墨水可以3D打印到人體這樣的水環(huán)境中。經(jīng)過(guò)兩年的提煉，他們創(chuàng)造了一種生物相容性磷酸鈣材料，在室溫下形成糊狀物。當(dāng)放入明膠浴或其他溶液中時(shí)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，糊狀物硬化成多孔納米晶體基質(zhì)，類似于天然骨組織的結(jié)構(gòu)。

為了用墨水打印，他們配備了一臺(tái)現(xiàn)成的3D打印機(jī)，Hyrel 3D Engine HR，帶有一個(gè)定制的噴嘴，0.2-0.8毫米的小針頭可將墨水?dāng)D在37℃的明膠浴中。Roohani說(shuō)，這種技術(shù)被稱為細(xì)胞懸浮液中的陶瓷全向生物打?。–OBICS），能夠打印出在一定時(shí)間內(nèi)硬化的骨狀結(jié)構(gòu)，且可以應(yīng)用于其他3D打印機(jī)，如便攜式和手持式打印機(jī)。

在他們最近的論文中，研究小組在含有人類成骨細(xì)胞和其他類型的人類細(xì)胞的明膠浴中打印出了小的骨骼結(jié)構(gòu)，高達(dá)半厘米的立方。硬化墨水將活細(xì)胞整合到結(jié)構(gòu)中，打印后細(xì)胞粘附增殖數(shù)周，存活率達(dá)95%。

研究小組目前正在設(shè)計(jì)一種可以打印更大樣本的浴池，并已開始進(jìn)行小動(dòng)物試驗(yàn)，以確定打印能否像自體移植物一樣有效地修復(fù)大傷口。接下來(lái)，Roohani希望與外科醫(yī)生、牙醫(yī)和其他人合作，探索COBICS的醫(yī)療保健和研究應(yīng)用，并尋求獲得監(jiān)管部門批準(zhǔn)的途徑。在美國(guó)，F(xiàn)DA已經(jīng)表示3D打印骨骼技術(shù)有資格獲得FDA的批準(zhǔn)。