近日,一篇發(fā)表在國(guó)際雜志Advanced Functional Materials上題為“Synthetic Bone‐Like Structures Through Omnidirectional Ceramic Bioprinting in Cell Suspensions”的研究報(bào)告中,來(lái)自新南威爾士大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們通過(guò)研究開(kāi)發(fā)出了一種基于陶瓷的墨水,未來(lái)有望幫助外科醫(yī)生打印出能鞋底啊活細(xì)胞的3D骨骼部分,而這些活細(xì)胞能被用來(lái)修復(fù)損傷的骨組織。
文章中,研究人員使用了一種由磷酸鈣組成的特殊墨水的3D打印機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)出了一種新技術(shù)—細(xì)胞懸浮液中的陶瓷全向生物打印技術(shù)(COBICS,ceramic omnidirectional bioprinting in cell-suspensions),該技術(shù)能幫助他們打印出骨骼樣結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)在水中放置幾分鐘后就會(huì)被硬化。盡管3D打印仿骨結(jié)構(gòu)的想法并不新鮮,但這是研究人員首次在室溫下創(chuàng)建攜帶活細(xì)胞的材料。
圖片來(lái)源:University of New South Wales
研究者Iman Roohani說(shuō)道,這是一種獨(dú)特的技術(shù),其能夠產(chǎn)生高度模擬骨骼組織的結(jié)構(gòu);這些骨骼組織能被用于對(duì)骨骼缺失的原位修復(fù)有大量需求的臨床應(yīng)用中,比如因創(chuàng)傷、癌癥或切除等所造成的骨缺陷。活細(xì)胞作為3D打印結(jié)構(gòu)的一部分,在上其便攜性,這或許就會(huì)有望成為目前最先進(jìn)技術(shù)的一大進(jìn)展;截止到目前為止,制作一塊類(lèi)似于骨質(zhì)的材料來(lái)修復(fù)患者的骨組織,需要首先進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室使用高溫熔爐和有毒的化學(xué)物質(zhì)來(lái)鍛造結(jié)構(gòu)。這就能夠產(chǎn)生一種干燥的材料,然后將其帶入臨床環(huán)境或?qū)嶒?yàn)室中,在這兩種環(huán)境中研究人員會(huì)對(duì)材料進(jìn)行大量清洗并將活細(xì)胞添加到其中。
研究者指出,這項(xiàng)技術(shù)讓大家覺(jué)得不可思議的是,你可以直接將其擠壓到任何有細(xì)胞的地方,比如患者骨質(zhì)腔中,這樣其就能直接進(jìn)入有細(xì)胞、血管和紙質(zhì)的骨頭里,隨后能打印出一個(gè)已經(jīng)含有活細(xì)胞的骨質(zhì)樣結(jié)構(gòu)。文章中,研究人員描述了他們?nèi)绾卧诤谢罴?xì)胞的微凝膠機(jī)制中開(kāi)發(fā)出這種特殊墨水。墨水能通過(guò)其組分在水環(huán)境中的局部納米結(jié)晶,利用定型的機(jī)制,將無(wú)機(jī)墨水轉(zhuǎn)化為機(jī)械互鎖的骨磷灰石納米晶體。
換句話說(shuō),其能夠形成一種類(lèi)似于骨骼建筑模塊的化學(xué)結(jié)構(gòu),墨水中的配方就能使其在生物環(huán)境中的轉(zhuǎn)化速度加快而且五毒;而且只有當(dāng)墨水暴露于在提體液中時(shí)才會(huì)被啟動(dòng),并能為終端用戶(比如外科醫(yī)生)提供充足的工作時(shí)間。當(dāng)墨水與含有活細(xì)胞的膠原物質(zhì)相結(jié)合時(shí),其就能夠原位制造骨樣組織,而這或許適用于多個(gè)研究領(lǐng)域,比如骨組織工程應(yīng)用、疾病模型、藥物篩選、骨及骨軟骨缺陷的原位重建。目前有外科醫(yī)生和醫(yī)療技術(shù)制造商對(duì)此非常感興趣,盡管還處于早期研究階段,但這種新型的骨打印工藝或有望為治療和修復(fù)骨組織提供一種全新的視野。
研究者Kilian說(shuō)道,這一研究進(jìn)展為眾多的研究機(jī)會(huì)鋪平了道路,我們相信這或有望帶來(lái)變革型的研究進(jìn)展,即從使用墨水在實(shí)驗(yàn)室中制造骨質(zhì)用于疾病建模,作為生物活性材料進(jìn)行牙齒修復(fù),到直接在患者機(jī)體中進(jìn)行骨骼重建;未來(lái)有一天,需要進(jìn)行骨移植的患者就能夠走進(jìn)診所,其機(jī)體的骨骼解剖結(jié)構(gòu)也能被成像,并翻譯到3D打印機(jī)上,且能直接用自己的細(xì)胞打印到腔體中。這或許就能從根本上改變目前研究人員的治療手段,減輕患者的痛苦,以及最終挽救患者的生命;下一步研究人員將會(huì)在動(dòng)物模型中進(jìn)行體內(nèi)測(cè)試,來(lái)分析是否骨樣結(jié)構(gòu)中的活細(xì)胞能在植入到現(xiàn)有的骨組織中后繼續(xù)生長(zhǎng)。(生物谷Bioon.com)
參考資料:
【1】Sara Romanazzo,Thomas Gregory Molley,Stephanie Nemec, et al. Synthetic Bone‐Like Structures Through Omnidirectional Ceramic Bioprinting in Cell Suspensions, Advanced Functional Materials (2021). DOI:10.1002/adfm.202008216
【2】Scientists use a novel ink to 3-D print bone with living cells
by University of New South Wales
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