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另辟蹊径的TPU材料,通过FDM工艺制作组织培养支架

导读: 通过使用FMD熔融挤出技术,伦敦大学学院的Achala de Mel 博士和她的研究团队3D打印了各种塑料管状结构,可用于培养身体内的细胞组织。

提起热塑性聚氨酯(TPU),我们很容易将这种材料与制鞋业联系到一起,TPU的承载能力、抗冲击性及减震性能突出,所以非常适合用来制作垒球鞋、棒球鞋、高尔夫球鞋、足球鞋鞋底及鞋前掌。不过,科学家们对 TPU的看法可不局限于此。

通过使用FMD熔融挤出技术,伦敦大学学院的Achala de Mel 博士和她的研究团队3D打印了各种塑料管状结构,可用于培养身体内的细胞组织。

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通过这种方法,伦敦大学学院的研究人员将实验室细胞培养的整体方法概念化,尤其是他们通过FDM这种3D打印工艺开创了经济性的细胞组织培养方法,使得研究和患者护理领域不再那么昂贵和高不可攀。

虽然不像PLA那样常用,伦敦大学学院这个项目的研究重点是热塑性聚氨酯(TPU)。因为其独特的可塑性和弹性质量,TPU被科学家们认为是可行的一种材料。

3D打印机方面,科学家们选择的是市售的两种商业机器:Sharebot Next Generation和Rokit 3Dison Multi,价格在1,850美元到1,990美元之间。

科学家们使用Blender,Slic3r和Makerbot切片软件创建了培养支架的CAD模型。

通过特别调整的TPU材料,Achala de Mel 博士的实验室研究人员证明了快速制造各种不同管状支架的能力。这些管状支架具有不同直径和厚度,其管状弹性结构是许多器官的共同结构特征。

这些管内的填充物被设计为细胞支架,用来支持细胞生长。支架可以设计成为细胞提供物理性质,例如刚性差异,几何形状,表面粗糙度和各向异性。细胞可以感知这些差异,并响应其增殖的变化。

Achala de Mel 博士发现3D打印允许在支架内创建多重组合(传统制造方法很难达到如此高效和可重复性),从而科学家们可以通过大量的实验获得关于细胞对于不同的3D打印支架结构反应的信息,这些大数据以便工程师进行详尽的分析,从而可以选择更加合适的3D打印设计来生产支架,以达到预期的细胞反应。

在每个3D打印管状支架的实例中,研究人员测试不同的大小和填充结构,以找到最适合于重建骨孔隙度的结构,因此有利于血管向内生长。

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图:I)各种3D打印管内部的填充结构。 II)管的形状和尺寸。

研究管装结构的快速迭代和开发是相对简单的事情,研究人员随后转向创建一个模仿人类气管结构的模型。

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图:3D打印气管模型的结构

考虑到这些基础结构,TPU的细胞培养潜力可以分为两个样本:一个与人类皮肤细胞结合,另一个与支气管相关的干细胞结合。在培养3和14天后,细胞显示出生长和增殖的积极性。

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图:3D打印TPU细胞支架上的阳性细胞增殖。

关于3D打印细胞培养支架的商业化前景,Achala de Mel 博士十分看好,她认为下一步是讨论监管资格和相关伦理,可以设想在不久的将来组织工程通过3D打印的影响将进入护理治疗领域,其普遍性就像现在的药店一样。

据了解,TPU用于组织培养支架在美国也有研究案例,凯斯西储大学就通过将TPU材料与PLA材料以及氧化石墨烯材料混合打印出具有优良的机械性能的细胞培养支架。

文章参考资料:Biomimetic heterogenous elastic tissue development-London colleague

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