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研究人员受乐高启发开发3D打印自愈合“骨砖”

时间:2020-07-27 09:31 来源:中国3D打印网 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃
       中国3D打印网7月27日讯,俄勒冈健康与科学大学(OHSU)的研究人员使用3D打印的微型乐高风格“骨头砖”,具有治愈骨折骨骼组织的潜力。研究人员的微小空心块只有一个小跳蚤的大小,可作为脚手架,使硬组织和软组织都可以在其上生长。此外,模块的可堆叠特性使它们可以像积木一样互锁,提供可伸缩性以及成千上万种潜在的几何配置。最终,俄勒冈团队旨在扩大技术规模,并使用微笼生产实验室制造的器官进行人类移植。
        “我们正在申请专利的脚手架易于使用; OHSU医学院生物医学工程副教授Luiz Bertassoni博士说:“它可以像乐高一样堆叠在一起,并以成千上万种不同的配置放置,以适应几乎任何情况的复杂性和大小。
俄勒冈团队的“骨头砖”(如图)可以堆叠成29000多种组合
   俄勒冈团队的“骨头砖”(如图)可以堆叠成29000多种组合。图片来自《高级科学》杂志。
  3D打印生物材料支架
       近年来,印刷支架生物结构已成为研究的热点,特别是在组织工程或再生医学中的应用。此外,3D打印技术的进步使患者特定的可植入结构能够以更具扩展性的方式进行设计,在某些情况下,它们甚至可以在医院内现场生产。结果,组装这些复杂的组织不再需要专门的设备,从而减少了与植入物生产相关的交货时间。
          尽管如此,理想的脚手架系统的开发仍被证明是难以捉摸的,这仍然是该技术尚未在医院环境中被更广泛采用的原因之一。理想的组织支持不仅要与缺陷特定的架构兼容,而且还要允许细胞,生长因子和水凝胶的受控加载。此外,根据Colorado团队的说法,组织的暂时控制对于移植材料内组织的向内生长至关重要。
  俄勒冈团队的3D打印骨砖
          常规上,整形外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。只是在该过程的后期,才使用装有粉末或糊剂的生物相容性支架材料来促进愈合。另一方面,俄勒冈团队开发了一种新颖的脚手架系统,该系统可将装有少量生长因子凝胶的空心块精确放置在最需要的位置。
         研究的共同作者,Bertassoni OHSU实验室的博士后Ramesh Subbiah博士解释说:“ 3D打印的微笼技术通过刺激正确的细胞类型在正确的位置和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体内,使我们能够更精确,更快速地修复组织。”
          该小组的微型笼子内部是空心的,从而使它们能够以可控的方式装载不同生物凝胶成分的货物,并创建具有空间确定性指示线索的支架。作为概念的证明,3D团队打印了许多块,块中装有含有各种生长因子的微型颗粒状水凝胶。结果表明,细胞以快速且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。
每块砖(如图)的大小为1.5毫米
  每块砖(如图)的大小为1.5毫米。通过OHSU拍摄。
  测试研究人员的3D打印模块化设计
         该团队利用β-磷酸三钙陶瓷和一种基于光刻的陶瓷制造(LCM)3D打印技术,创建了许多模块化的微型笼式系统。该工艺产生的块尺寸为3.375 mm3,空心尺寸为1.5×1.5×1.5 mm,壁厚为230–560 µm。总之,使用样本砖,研究人员可以轻松制作出各种形状,同时在其周围保持一致的轮廓。俄勒冈团队研究了四层4×4区块,总共可以配置29,413种配置,从而突出了该技术在患者定制骨骼支架上的潜力。为了说明其方法与其他刚性聚合物材料配合使用的适应性,使用基于甲基丙烯酸酯的树脂创建了许多其他砖,这些砖通常在类似的再生程序中使用。

       为了展示脚手架在再生应用中的潜力,该团队使用了数字光处理(DLP)3D打印技术来创建一系列具有五点花状几何形状的异型产品。然后将人重组生长因子的不同组合手动加载到各种形状的模块中。堆叠后,两层砌块的强度显着降低至13.8 MPa,但这仍远高于报道的平均颚骨3.9 MPa的强度。
         此外,进一步的实验发现,放置在修复的大鼠骨骼附近的充满生长因子的块体导致的血管生长是传统脚手架材料的三倍。结果,研究人员得出结论,尽管他们的方法已针对硬组织的修复进行了优化,但该概念可能适用于其他组织再生应用。通过大量研究,俄勒冈团队认为,模块化方法可用于修复较大动物中更复杂的骨折,甚至用于人体移植。
  增材制造和骨修复
          来自全球学术机构的许多研究人员已经在探索3D生物打印骨植入物的概念。例如,曼彻斯特大学的研究人员开发了与俄勒冈团队类似的骨砖。创建该设备是为了满足叙利亚难民营中紧急医疗需求。
          同时,代尔夫特理工大学的研究人员已经设计并印刷了具有抗菌特性的多孔钛骨植入物。移植物的协同抗菌行为可能会产生一种新型的植入物,这种植入物可使患者维持最少的生命。
        另一方面,得克萨斯州A&M大学的科学家将3D打印,生物材料工程学和干细胞生物学相结合,创造出了新的,效率更高的面部骨移植物。高成骨性支架不仅促进骨骼细胞的生长,而且还可以作为骨骼再生的坚固平台。

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(责任编辑:中国3D打印网)

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