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论文:用于3D生物打印骨组织的纳米骨诱导生物墨水

德克萨斯农工大学生物医学工程系的科学家们,正在开发新型的生物墨水材料,以推动3D生物打印功能性骨组织的发展。

2020年5月27日,南极熊从外媒获悉,该校副教授Akhilesh K. Gaharwar博士创造了一种可3D打印的生物墨水,可作为解剖学功能组织。Gaharwar的研究小组开发的新材料被称为纳米离子共价纠缠生物墨水(Nanoengineered Ionic-Covalent Entanglement (NICE)bioink),其设计目的是为了克服目前生物墨水在结构稳定性方面的不足。在谈到NICE生物墨水的好处时,Gaharwar表示:"3D生物打印的下一个里程碑是功能组织。我们的研究表明,在我们实验室开发的生物墨水可以用于工程化三维功能骨组织。"

生物打印骨组织

Gaharwar表示,该技术的一个特别有用的应用是在患者特异性骨移植中,这是一种替代缺失的骨质以修复骨折的外科手术。由于治疗骨缺损和损伤的传统治疗方法缓慢且昂贵,用生物打印的组织替代骨组织,可以为患者创造令人兴奋的治疗方法。这些可用于治疗关节炎、骨折、牙齿感染和颅骨缺损等缺陷和疾病。

该领域的最新进展来自莱斯大学和马里兰大学(UMD)。这些机构的科学家们勾勒出了一种新的概念验证,用于3D打印人工骨组织,帮助修复与关节炎和运动事故相关的损伤。

2019年底,俄罗斯生物技术研究实验室的3D生物打印解决方案公司在国际空间站上,在零重力下3D打印了生物骨组织。利用其Organ.Aut 3D生物打印机,该实验室的研究人员希望有朝一日能创造出真正的骨植入物,供宇航员在漫长的星际任务中进行移植。

纳米工程的生物链路用于更坚固的骨结构

在生物打印过程中,含有细胞的生物材料以液体形式流过喷嘴,然后在沉积后立即凝固。这就要求生物墨水作为细胞载体和结构成分,在提供细胞友好的微环境的同时,还必须具有高度的可打印性。
Gaharwar团队在论文中解释说,目前使用中的生物键缺乏足够的生物相容性、可打印性、结构稳定性和组织特异性功能,而这些都是临床前和临床应用生物打印所需要的。"由于缺乏能够满足3D打印和组织工程需求的生物墨水,生物打印的潜在应用受到了限制。例如,理想的生物键必须能够挤出成稳定的3D结构,同时在打印过程中和打印后还能保护细胞,并提供一个合适的环境,可以重塑成目标组织。不幸的是,传统的水凝胶很弱,可打印性很差。" 

针对这一问题,Gaharwar的研究小组开发了专门用于3D骨生物打印的NICE生物墨水配方。NICE生物墨水是两种技术(非强化和离子共价网络)的组合。两者结合使用,可提供有效的强化,使骨结构更加坚固。"NICE生物链路允许精确控制可打印性、机械性能和降解特性,实现了机械弹性、细胞化结构的定制化3D打印。"

一旦生物打印过程完成后,含有细胞的NICE网络会被交联,形成更坚固的支架。利用这种技术,Gaharwar和他的团队已经能够制作出全尺寸的、细胞友好型的人体部位重建,包括耳朵、血管、软骨和骨节等。

在他们的测试中,研究人员发现,封闭的细胞开始沉积新的蛋白质,其中含有一种类似软骨的细胞外基质,随后在三个月的时间里,这些细胞会钙化,形成矿化的骨骼。这些3D生物打印的支架中,有5%是由钙质组成的,这与松质骨类似,是椎骨中典型的海绵状组织网络。

利用他们的生物墨水和研究成果,Gaharwar的团队计划展示3D生物打印骨组织的体内功能。

该研究报告 "Nanoengineered Osteoinductive Bioink for 3D Bioprinting Bone Tissue "发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。作者为David Chimene、Logan Miller、Lauren M. Cross、Manish K. Jaiswal、Irtisha Singh和Akhilesh K. Gaharwar。

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