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受乐高启发,俄勒冈州研究人员开发出3D打印 "骨砖"

2020年7月27日,南极熊从外媒获悉,俄勒冈健康与科学大学(OHSU)的研究人员已经3D打印出微型乐高式的 "骨砖",这种骨砖有可能能够治愈断裂的骨骼组织。

研究人员的微小空心砖只有小跳蚤大小,可以作为支架,硬组织和软组织都可以在上面重新生长。此外,模块的可堆叠性使它们能够像玩具砖一样相互交错,提供可扩展性以及数千种潜在的几何配置。最终,俄勒冈州团队的目标是扩大该技术的规模,并使用微笼来生产实验室制造的器官,以代替人类移植。

OHSU医学院生物医学工程副教授Luiz Bertassoni博士说:"我们正在申请专利的支架非常易于使用,它可以像乐高积木一样堆叠在一起,并以数千种不同的配置放置,以匹配几乎任何情况的复杂性和大小,"

3D打印的生物材料支架 

近年来,打印支架生物结构已成为越来越热门的研究课题,特别是在组织工程或再生医学中的应用。此外,3D打印技术的进步使得患者特异性的可植入结构的设计更具可扩展性,在某些情况下,它们现在甚至可以在医院内现场生产。因此,组装这些复杂的组织不再需要专业设备,这反过来又缩短了与植入物生产相关的准备时间。

然而,理想的支架系统的开发仍被证明是难以捉摸的,这也是该技术没有在医院环境中得到更广泛采用的原因之一。理想的组织支架需要与特定的缺陷架构兼容,但同时也要允许细胞、生长因子和水凝胶的可控加载。此外,根据科罗拉多团队的说法,组织的时间控制对于组织在移植材料内的生长至关重要。

俄勒冈团队的3D打印骨砖

传统上,骨科医生通过将金属棒或金属板植入患者体内来修复复杂的骨折,以稳定骨骼。只有在手术后期,才会使用包装有粉末或糊状物的生物相容性支架材料,以促进愈合。俄勒冈团队则开发了一种新型的支架系统,它能精确地将填充有少量生长因子凝胶的空心块,放置在最接近需要它们的地方。

研究合著者Ramesh Subbiah博士解释说:"3D打印微笼技术通过刺激正确类型的细胞在正确的地方、在正确的时间生长来改善愈合,不同的生长因子可以放置在每个块内,使我们能够更精确和快速地修复组织。"

该团队的微笼内部是中空的,这使得它们能够以可控的方式装载不同生物凝胶成分,并创建具有空间定义的支架。作为概念验证,该团队3D打印了一些加载了含有各种生长因子的微观颗粒状水凝胶的块。结果显示,细胞已经以快速和可控的方式进入了支架,从而加速了新组织的形成和愈合过程。

测试研究人员的3D打印模块化设计 

利用一种β-磷酸三钙陶瓷和基于光刻技术的陶瓷制造(LCM)3D打印技术,该团队创造了许多模块化的微型笼子。该过程产生了尺寸为3.375 mm3的块,中空尺寸为1.5×1.5×1.5 mm,壁厚为230-560 μm。总之,利用样品砖,研究人员很容易就能生产出各种形状的砖块,同时在其周边保持一致的轮廓。

通过使用四层4×4砖块,俄勒冈团队计算出总共有29413种配置是可能的,这凸显了该技术在患者定制骨支架方面的潜力。为了说明他们的方法对其他刚性聚合物材料的适应性,他们使用甲基丙烯酸酯基树脂创建了一些其他砖块,这种树脂经常在类似的再生程序中使用。

为了证明支架在再生应用中的潜力,该团队使用数字光处理(DLP)3D打印创造了一系列异形产品,包括一个五角花状的几何形状。然后,不同的人类重组生长因子组合被手动加载到不同形状的模块内。叠加后,双层块的强度明显降低到13.8兆帕,但这仍远高于报道的普通颌骨的3.9兆帕。

更重要的是,进一步的实验发现,在修复后的大鼠骨骼附近放置充满生长因子的块体,导致血管生长的数量是传统支架材料的3倍左右。因此,研究人员得出结论,虽然他们的方法已经针对硬组织的修复进行了优化,但这个概念可能适用于其他组织再生应用。通过更多的研究,俄勒冈州的团队认为,模块化的方法可以用于修复大型动物的更复杂的骨折,甚至可以用于制造人类移植的器官。

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