研究人員受樂高啟發(fā)開發(fā)3D打印自愈合“骨磚”
魔猴君 行業(yè)資訊 1610天前
俄勒岡健康與科學大學（OHSU）的研究人員使用3D打印的微型樂高風格“骨頭磚”，具有治愈骨折骨骼組織的潛力。研究人員的微小空心塊只有一個小跳蚤的大小，可作為腳手架，使硬組織和軟組織都可以在其上生長。此外，模塊的可堆疊特性使它們可以像積木一樣互鎖，提供可伸縮性以及成千上萬種潛在的幾何配置。最終，俄勒岡團隊旨在擴大技術規(guī)模，并使用微籠生產(chǎn)實驗室制造的器官進行人類移植。
“我們正在申請專利的腳手架易于使用； OHSU醫(yī)學院生物醫(yī)學工程副教授Luiz Bertassoni博士說：“它可以像樂高一樣堆疊在一起，并以成千上萬種不同的配置放置，以適應幾乎任何情況的復雜性和大小。
俄勒岡團隊的“骨頭磚”（如圖）可以堆疊成29000多種組合。圖片來自《高級科學》雜志。
3D打印生物材料支架
近年來，印刷支架生物結構已成為研究的熱點，特別是在組織工程或再生醫(yī)學中的應用。此外，3D打印技術的進步使患者特定的可植入結構能夠以更具擴展性的方式進行設計，在某些情況下，它們甚至可以在醫(yī)院內(nèi)現(xiàn)場生產(chǎn)。結果，組裝這些復雜的組織不再需要專門的設備，從而減少了與植入物生產(chǎn)相關的交貨時間。
盡管如此，理想的腳手架系統(tǒng)的開發(fā)仍被證明是難以捉摸的，這仍然是該技術尚未在醫(yī)院環(huán)境中被更廣泛采用的原因之一。理想的組織支持不僅要與缺陷特定的架構兼容，而且還要允許細胞，生長因子和水凝膠的受控加載。此外，根據(jù)Colorado團隊的說法，組織的暫時控制對于移植材料內(nèi)組織的向內(nèi)生長至關重要。
俄勒岡團隊的3D打印骨磚
常規(guī)上，整形外科醫(yī)生通過將金屬棒或金屬板植入患者體內(nèi)來修復復雜的骨折，以穩(wěn)定骨骼。只是在該過程的后期，才使用裝有粉末或糊劑的生物相容性支架材料來促進愈合。另一方面，俄勒岡團隊開發(fā)了一種新穎的腳手架系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將裝有少量生長因子凝膠的空心塊精確放置在最需要的位置。
研究的共同作者，Bertassoni OHSU實驗室的博士后Ramesh Subbiah博士解釋說：“ 3D打印的微籠技術通過刺激正確的細胞類型在正確的位置和正確的時間生長來改善愈合。不同的生長因子可以放置在每個塊體內(nèi)，使我們能夠更精確，更快速地修復組織?！?/span>
該小組的微型籠子內(nèi)部是空心的，從而使它們能夠以可控的方式裝載不同生物凝膠成分的貨物，并創(chuàng)建具有空間確定性指示線索的支架。作為概念的證明，3D團隊打印了許多塊，塊中裝有含有各種生長因子的微型顆粒狀水凝膠。結果表明，細胞以快速且可控的方式進入了支架，從而加速了新組織的形成和愈合過程。
每塊磚（如圖）的大小為1.5毫米。通過OHSU拍攝。
測試研究人員的3D打印模塊化設計
該團隊利用β-磷酸三鈣陶瓷和一種基于光刻的陶瓷制造（LCM）3D打印技術，創(chuàng)建了許多模塊化的微型籠式系統(tǒng)。該工藝產(chǎn)生的塊尺寸為3.375 mm3，空心尺寸為1.5×1.5×1.5 mm，壁厚為230–560 μm?？傊?，使用樣本磚，研究人員可以輕松制作出各種形狀，同時在其周圍保持一致的輪廓。俄勒岡團隊研究了四層4×4區(qū)塊，總共可以配置29,413種配置，從而突出了該技術在患者定制骨骼支架上的潛力。為了說明其方法與其他剛性聚合物材料配合使用的適應性，使用基于甲基丙烯酸酯的樹脂創(chuàng)建了許多其他磚，這些磚通常在類似的再生程序中使用。
為了展示腳手架在再生應用中的潛力，該團隊使用了數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術來創(chuàng)建一系列具有五點花狀幾何形狀的異型產(chǎn)品。然后將人重組生長因子的不同組合手動加載到各種形狀的模塊中。堆疊后，兩層砌塊的強度顯著降低至13.8 MPa，但這仍遠高于報道的平均顎骨3.9 MPa的強度。
此外，進一步的實驗發(fā)現(xiàn)，放置在修復的大鼠骨骼附近的充滿生長因子的塊體導致的血管生長是傳統(tǒng)腳手架材料的三倍。結果，研究人員得出結論，盡管他們的方法已針對硬組織的修復進行了優(yōu)化，但該概念可能適用于其他組織再生應用。通過大量研究，俄勒岡團隊認為，模塊化方法可用于修復較大動物中更復雜的骨折，甚至用于人體移植。
增材制造和骨修復
來自全球學術機構的許多研究人員已經(jīng)在探索3D生物打印骨植入物的概念。例如，曼徹斯特大學的研究人員開發(fā)了與俄勒岡團隊類似的骨磚。創(chuàng)建該設備是為了滿足敘利亞難民營中緊急醫(yī)療需求。
同時，代爾夫特理工大學的研究人員已經(jīng)設計并印刷了具有抗菌特性的多孔鈦骨植入物。移植物的協(xié)同抗菌行為可能會產(chǎn)生一種新型的植入物，這種植入物可使患者維持最少的生命。
另一方面，得克薩斯州A＆M大學的科學家將3D打印，生物材料工程學和干細胞生物學相結合，創(chuàng)造出了新的，效率更高的面部骨移植物。高成骨性支架不僅促進骨骼細胞的生長，而且還可以作為骨骼再生的堅固平臺。
