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研究人员使用3D打印的生物材料制作面部骨移植术

2020年6月5日,南极熊从外媒获悉,来自德克萨斯农工大学的研究人员将3D打印、生物材料工程和干细胞生物学相结合,创造出了新型、更高效、可定制的骨移植材料。

利用这三项技术,科学家们制作出了3D打印的高造骨支架,不仅可以促进骨细胞生长,还可以作为定制形状的骨再生的坚固平台。这种新型的生物材料可以替代金属和聚合物在整形手术中的使用,皮肤移植物在愈合后能够无缝地融入患者的头骨中。

生物医学工程系副教授Roland Kaunas说:"用于颅面骨植入物的材料要么是生物活性极低、极硬,比如钛,要么是生物活性太强、太软,比如生物聚合物,""在我们的研究中,我们开发了一种既具有生物活性又具有机械强度的合成聚合物。这些材料还可以3D打印,可以制作出既美观又实用的定制型颅面植入物。"

改进骨移植技术的需求 

每年有20万人的下颌骨、面部或头部受伤。由此产生的手术往往需要使用钛板和螺钉来固定这些断裂的骨头,并使周围的骨细胞生长,在植入物周围形成一个覆盖物。虽然这种方法在帮助骨修复方面取得了相对的成功,但钛并不总是能与骨组织结合,这可能会导致植入物失败,晚期的情况下还会导致进一步的手术。

与自体移植物相比,金属和热塑性塑料也更容易受到感染、植入物挤压和暴露、组织坏死和应力屏蔽。骨移植被外科医生认为是一种较好的替代方法,但这种技术也有缺点。直接应用骨组织依赖于有限的供体组织来源,会造成供体部位的病变,而且即使如此,颅骨中复杂几何形状的骨质也无法轻易复制。

研究人员确定了生物相容性高分子材料,更确切地说,是生物凝胶,作为聚合物和金属植入物的替代品。这些可塑性强的材料是可取的,因为一旦装载了骨干细胞,这些凝胶可以被3D打印成任何预设的形状。此外,与金属电镀不同,人体可以随着时间的推移溶解水凝胶,不会造成任何持久的损伤。

利用3D打印的生物凝胶来制造骨移植体

虽然生物凝胶的柔韧性使其成为3D生物打印的理想材料,但其柔韧性也会影响到所生产的零件的机械完整性和精度。为了使这种材料更加坚硬,研究人员开发出了一种纳米工程离子共价缠绕材料,简称 "NICE"。这种混合液的配方只包括三种主要成分:一种叫卡帕卡拉胶的海藻提取物、明胶和纳米硅酸盐颗粒。这些元素的作用是刺激骨骼生长,并对NICE水凝胶进行机械加固,发现这种混合物的强度是其单个成分的8倍以上。

混合物制备完成后,研究人员将成人干细胞加入到用NICE墨水打印的3D零件中,然后通过化学诱导将干细胞转化为骨细胞。在这个过程的两周内,科学家们发现这些细胞的数量增加了,产生了大量的骨相关蛋白、矿物质和其他分子。这些细胞的分泌物形成了一种被称为细胞外基质的支架,其中含有发育中的骨细胞生长和生存所需的生物材料的独特成分。一旦支架完全发育完成,骨细胞就可以被移除,水凝胶基质植入物就可以植入到颅骨损伤部位。

据研究人员称,3D打印的支架强度有利于健康骨细胞的附着和生长,同时允许发育中的骨细胞穿透合成材料。这种水凝胶也具有弹性和韧性,允许人工操作,同时还具有轻微的可压缩性,可以按压贴合到缺损处。由于NICE移植物具有良好的生物和物理特性,研究人员很想在不久的将来将该工艺用于脊柱融合的体内骨再生。

"虽然我们目前的工作主要集中在修复颅骨上,但在不久的将来,我们希望将这一技术不仅用于颅颌面缺损,还能在脊柱融合和其他损伤的情况下进行骨再生,"Kaunas说。

图1. NICE和生物质NICE(bNICE)支架的开发示意图。

A)nSil和交联的GelMA之间纳米复合增强, 以及κCA和GelMA的独立聚合物网络的离子共价纠缠,使NICE油墨具有弹性和可打印性。

B)iP-hMSCs被播种在NICE支架上,并在GW9662的存在下培养10天,然后用去细胞化。用iP-hMSC衍生的ECM或bNICE修饰的支架,用hMSCs播种并在体外,培养8天和21天后进行成骨分化评估。

研究人员的研究结果详见于他们发表在Advanced Healthcare Materials杂志上的题为 "Conditioning of 3D Printed Nanoengineered Ionic-Covalent Entanglement Scaffolds with iP-hMSCs Derived Matrix"的论文。该研究由Candice Sears、Eli Mondragon、Zachary I. Richards、Nick Sears、David Chimene、Eoin P. McNeill、Carl A. Gregory、Akhilesh K. Gaharwar和Roland Kaunas共同撰写。

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