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解析生物3D打印的进击之路

导读: 整个生物3D打印产业的发展非常迅速,并且逐渐承担起了救死扶伤的使命。各式各样的生物打印机逐渐面世,它们提高了医学研究工作者的生产力,为他们赋予能力。

OFweek3D打印网讯 应用领域不断扩大

整个生物3D打印产业的发展非常迅速,并且逐渐承担起了救死扶伤的使命。各式各样的生物打印机逐渐面世,它们提高了医学研究工作者的生产力,为他们赋予能力。

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生物打印设备使得研究人员可以结合细胞、凝胶、纤维、聚合物、陶瓷和金属等材料做出生物支架,从而取代那些受损或者坏死的人体组织和器官。

事实上,生物打印研究领域非常广泛,目前在全球已经应用在以下领域:

l 皮肤

l 骨组织

l 血管

l 器官(比如心脏,肾脏,胎盘,卵巢等等)

l 药物和营养物控释

皮肤

对大面积烧伤的人来说进行植皮手术所需大面积的皮肤是很困难的,因此医学研究中一直在寻找简单的方法制造出植皮所需的皮肤。

威克森林大学再生医学研究院的研究员们正在研究一种用生物打印技术制造皮肤薄层的方法。制皮之前需要取自伤者身上一块不大于邮票的皮肤组织,分析这块皮肤的层数分布后,这块组织被放置在经过消毒的喷墨盒中,研究员进行编程输入打印机中,打印机将会按照程序,参照供体的细胞,利用一种胶体和特殊材料制作出与旧皮肤组织结构相同的新皮肤组织。

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研究人员还希望能够在任何地方轻松的制造皮肤。比如医务人员可以提着一个便携式皮肤打印机到战场上受伤的士兵身边,扫描伤口,确认所需皮肤层数,从伤者身上提取细胞然后打印出一块不会产生排斥反应的皮肤,这样士兵就能得到及时的治疗。

骨组织

英国格拉斯哥大学从旨在帮助地雷爆炸幸存者的慈善机构那里获得了280万英镑的资助,以开发一种3D打印骨头的方法。

该校的3D打印骨头开发团队同意在一只狗身上尝试该技术。一种骨碎片、BMP-2、聚(丙烯酸乙酯)/PEA(充当粘合剂)和狗的骨髓混合物被植入到腿部的裂缝中。七周后,骨头重新生长出来,这只狗完全康复,并恢复了正常生活。

手术的成功对人类来说是个好消息。虽然离在人类身上测试这种技术还有几年的时间,但该技术能修复这样一种复杂的损伤这一事实为世界上数百万的地雷爆炸幸存者带来了希望。此外,这种 3D打印技术 还能促进人体任何部位上的骨头生长。

血管

近日,俄勒冈健康与科学大学(OHSU)的研究人员开发出一个工艺,用一台生物打印机来在已经拔出的牙齿中打印血管,这预计将对根管治疗产生积极影响。

OHSU使用预血管化的浆状组织来促进牙髓再生,并且能实现一个更好的长期治疗。为了证明新方法的效果,研究人员在一颗已经拔出的人类牙齿中种植入一种由水凝胶、牙髓细胞和内皮细胞组成的物质,内皮细胞会形成血管的内部。

一移除拔出牙齿的牙髓,团队就将水凝胶物质和牙髓细胞注射在一个纤维模具周围,纤维模具用于形成微通道血管。基于以前的研究,研究团队用一台生物打印机创建了一个琼脂糖纤维模具。随后,研究人员取出纤维,并注射入内皮细胞来替代它。七天后,他们发现血管开始形成。

经过这些成功的实验,研究团队希望开始进行体内试验,以确定上述方法在直接应用时是否会成功,研究人员相信“这一发现可能会改变未来根管治疗的方式”。实验结果证明,制造人造血管是一种高效的策略来完全再生牙齿的功能。

器官

3D生物打印技术可让科研人员另辟途径地制造人体替换器官,虽然将其应用于医疗服务领域还需很长一段时间,但是科学家相信随着3D生物打印技术以及再生医学的发展进步,将最终实现人体器官的个性化定制。

迄今为止在实验室培育出来的器官只是含有相当简单的结构。肝脏、心脏和肾脏等固体内脏的制造过程更加复杂。但耶鲁大学一所实验室已用细胞替换技术制造出老鼠肺。它们可在这些啮齿动物体内运作一段时间。

随着研究人员更多的利用生物打印技术去解决组织工程问题,相信不久的将来,这些难题都将成为过去。

药物控释

伦敦大学制药学院发表了一篇《3D打印药片的几何形状对于药物释放的影响(Effect of Geometry on Drug Release From 3D Printed Tablets)》的论文,详细说明了利用3D打印技术制造一般难以制造的异形药片的方法。

未来药剂设计和制造很可能会从限定剂量的片剂(胶囊或)的大批量生产,转变为针对单个病人限定剂量的即时制造。为了应对这一挑战,制药行业需要评估和接受新的制造技术,其中一项具有潜在应用可能的技术就是3D打印。

几何形状确实在决定药物释放曲线中起着主要作用。当在3D打印的药片表面积保持恒定时,药物释放速度最快的是金字塔形的药片,然后是圆环体、立方体、球体,最后才是圆柱体。这个排序与片剂表面积/体积比率直接相关,因为圆柱体的这一比值最低,而金字塔状的则最高。片剂的药物释放动力学显示其对表面积并非依赖关系,而是跟表面积与体积的比率直接相关,换言之几何形状对药物释放曲线存在影响,而大量形状类似的片剂表现出来的溶解曲线几乎没有差别。

一艘进击的战舰:Bioplotter生物打印机

随着生物打印应用领域的不断拓宽,“战场”的不断扩大,也有更多的“战场利器”出现。小编在上一期中介绍了一款性价比很高的入门级生物打印机INKREDIBLE+,以更加亲民的价格和实用性,可谓是战场中广泛使用的主站战车。而今天要为朋友们讲解的Bioplotter来自德国envisionTEC公司,则是进击的战舰,庞大而又不失优雅,功能与性能的权威直选。

EnvisionTEC 3D-Bioplotter3D生物打印系统自从2000年开始应用于各种医疗用途。到目前为止,使用 Envision 3D 生物打印机的大部分研究都是处于预临床阶段,优秀的科学家们发表了很多成果,这些科学家来自材料科学、神经成像、毒理学等领域。

组织工程和可控药物释放需要具备定义良好的外部和内部结构支架,3D-Bioplotter生物打印机具备制造这种支架的能力,材料为单一快速成型设备采用的大范围的材料种类,从聚合物熔化体上的软性水凝胶到坚硬的陶瓷或者金属。能够覆盖这么多的材料种类和打印原理,这也是这艘生物打印界的战舰能够占据一席之地的原因。

3D-Bioplotter生物打印机的软件可以轻易地设计出复杂的内部结构模式,用以控制力学性能、增加细胞粘附能力、以及提供营养介质在打印的植入物内部连通孔隙流动的性能。

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EnvisonTEC拥有独特的3D生物打印流程:

l 直接使用原材料(粉末,颗粒等),无需预先处理的线材。

l 医疗级别的材料完全可以使用。

l 为无菌生物安全性环境使用设计,内置无菌和颗粒过滤器处理进入的压缩空气。

l 材料存储于无菌材料盒,避免与打印机的解除,便于清理和消毒。

l 用户可以创建他们自己的流程参数。

l 独特设计,既可用于高级组织工程研究的工具,也可用于生产制造环境。

l 可以使用3D-Bioplotter生物打印机系列的所有硬件和软件选项。

l 包含加热平台和无菌过滤器,可用于细胞打印和器官打印。

因为集多种打印工艺于一身,可以打印的材料也更加多样。从陶瓷、金属浆料的打印到热塑性塑料线材的挤出,从组织工程支架的打印到细胞和组织的打印。这台多功能的“战舰”可谓是面面俱到。

多个不同种类打印工艺的打印头集于一体,使得该打印机成为生物打印界的“加工中心”,能够在一次加工中实现更多,同时又不失精度。用料的厚实,合理的结构设计,“德国匠心”的融入,使得这台打印机的运行精度和稳定性十分可靠,同时可以允许更长的连续打印时间。从自动喷嘴清洗,到半自动材料标定,这些点点滴滴的功能都是为了给使用者一个接近完美的体验。可以说这台机器的价格不够亲民,但它的表现也着实强悍。

作为生物打印界的老牌企业,EnvisionTec公司也在精雕细琢,不断为大家带来更加强大的“战舰”。正如前文所介绍的应用领域,我们可以看出,一种单一的3D打印工艺,已经不能让一台打印机涵盖生物3D打印的所有应用领域了。但也相信我们能够在生物打印这个不断扩大的应用领域中,看到更多强大的设备,今天有了“战舰”,不远的将来或许就有“航母”了呢。

责任编辑:zhouyi
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