論文：用于3D生物打印骨組織的納米骨誘導(dǎo)生物墨水

德克薩斯農(nóng)工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的科學(xué)家們，正在開(kāi)發(fā)新型的生物墨水材料，以推動(dòng)3D生物打印功能性骨組織的發(fā)展。

2020年5月27日，南極熊從外媒獲悉，該校副教授Akhilesh K. Gaharwar博士創(chuàng)造了一種可3D打印的生物墨水，可作為解剖學(xué)功能組織。Gaharwar的研究小組開(kāi)發(fā)的新材料被稱(chēng)為納米離子共價(jià)糾纏生物墨水(Nanoengineered Ionic-Covalent Entanglement (NICE)bioink)，其設(shè)計(jì)目的是為了克服目前生物墨水在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的不足。在談到NICE生物墨水的好處時(shí)，Gaharwar表示："3D生物打印的下一個(gè)里程碑是功能組織。我們的研究表明，在我們實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的生物墨水可以用于工程化三維功能骨組織。"

△3D生物打印的NICE支架可用于骨再生，照片來(lái)自德克薩斯農(nóng)工大學(xué)工程學(xué)院

生物打印骨組織

Gaharwar表示，該技術(shù)的一個(gè)特別有用的應(yīng)用是在患者特異性骨移植中，這是一種替代缺失的骨質(zhì)以修復(fù)骨折的外科手術(shù)。由于治療骨缺損和損傷的傳統(tǒng)治療方法緩慢且昂貴，用生物打印的組織替代骨組織，可以為患者創(chuàng)造令人興奮的治療方法。這些可用于治療關(guān)節(jié)炎、骨折、牙齒感染和顱骨缺損等缺陷和疾病。

該領(lǐng)域的最新進(jìn)展來(lái)自萊斯大學(xué)和馬里蘭大學(xué)（UMD）。這些機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們勾勒出了一種新的概念驗(yàn)證，用于3D打印人工骨組織，幫助修復(fù)與關(guān)節(jié)炎和運(yùn)動(dòng)事故相關(guān)的損傷。

2019年底，俄羅斯生物技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室的3D生物打印解決方案公司在國(guó)際空間站上，在零重力下3D打印了生物骨組織。利用其Organ.Aut 3D生物打印機(jī)，該實(shí)驗(yàn)室的研究人員希望有朝一日能創(chuàng)造出真正的骨植入物，供宇航員在漫長(zhǎng)的星際任務(wù)中進(jìn)行移植。

△Akhilesh Gaharwar博士和他的多學(xué)科團(tuán)隊(duì)正在尋找新的方法來(lái)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)3D生物打印骨組織，圖片來(lái)自德克薩斯農(nóng)工大學(xué)工程學(xué)院

納米工程的生物鏈路用于更堅(jiān)固的骨結(jié)構(gòu)

在生物打印過(guò)程中，含有細(xì)胞的生物材料以液體形式流過(guò)噴嘴，然后在沉積后立即凝固。這就要求生物墨水作為細(xì)胞載體和結(jié)構(gòu)成分，在提供細(xì)胞友好的微環(huán)境的同時(shí)，還必須具有高度的可打印性。

Gaharwar團(tuán)隊(duì)在論文中解釋說(shuō)，目前使用中的生物鍵缺乏足夠的生物相容性、可打印性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和組織特異性功能，而這些都是臨床前和臨床應(yīng)用生物打印所需要的。"由于缺乏能夠滿足3D打印和組織工程需求的生物墨水，生物打印的潛在應(yīng)用受到了限制。例如，理想的生物鍵必須能夠擠出成穩(wěn)定的3D結(jié)構(gòu)，同時(shí)在打印過(guò)程中和打印后還能保護(hù)細(xì)胞，并提供一個(gè)合適的環(huán)境，可以重塑成目標(biāo)組織。不幸的是，傳統(tǒng)的水凝膠很弱，可打印性很差。"

針對(duì)這一問(wèn)題，Gaharwar的研究小組開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)用于3D骨生物打印的NICE生物墨水配方。NICE生物墨水是兩種技術(shù)（非強(qiáng)化和離子共價(jià)網(wǎng)絡(luò)）的組合。兩者結(jié)合使用，可提供有效的強(qiáng)化，使骨結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固。"NICE生物鏈路允許精確控制可打印性、機(jī)械性能和降解特性，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械彈性、細(xì)胞化結(jié)構(gòu)的定制化3D打印。"

一旦生物打印過(guò)程完成后，含有細(xì)胞的NICE網(wǎng)絡(luò)會(huì)被交聯(lián)，形成更堅(jiān)固的支架。利用這種技術(shù)，Gaharwar和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠制作出全尺寸的、細(xì)胞友好型的人體部位重建，包括耳朵、血管、軟骨和骨節(jié)等。

在他們的測(cè)試中，研究人員發(fā)現(xiàn)，封閉的細(xì)胞開(kāi)始沉積新的蛋白質(zhì)，其中含有一種類(lèi)似軟骨的細(xì)胞外基質(zhì)，隨后在三個(gè)月的時(shí)間里，這些細(xì)胞會(huì)鈣化，形成礦化的骨骼。這些3D生物打印的支架中，有5%是由鈣質(zhì)組成的，這與松質(zhì)骨類(lèi)似，是椎骨中典型的海綿狀組織網(wǎng)絡(luò)。

利用他們的生物墨水和研究成果，Gaharwar的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃展示3D生物打印骨組織的體內(nèi)功能。

該研究報(bào)告 "Nanoengineered Osteoinductive Bioink for 3D Bioprinting Bone Tissue "發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。作者為David Chimene、Logan Miller、Lauren M. Cross、Manish K. Jaiswal、Irtisha Singh和Akhilesh K. Gaharwar。