受樂(lè)高啟發(fā)，俄勒岡州研究人員開(kāi)發(fā)出3D打印 "骨磚"

2020年7月27日，南極熊從外媒獲悉，俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)(OHSU)的研究人員已經(jīng)3D打印出微型樂(lè)高式的 "骨磚"，這種骨磚有可能能夠治愈斷裂的骨骼組織。

研究人員的微小空心磚只有小跳蚤大小，可以作為支架，硬組織和軟組織都可以在上面重新生長(zhǎng)。此外，模塊的可堆疊性使它們能夠像玩具磚一樣相互交錯(cuò)，提供可擴(kuò)展性以及數(shù)千種潛在的幾何配置。最終，俄勒岡州團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是擴(kuò)大該技術(shù)的規(guī)模，并使用微籠來(lái)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室制造的器官，以代替人類移植。

OHSU醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程副教授Luiz Bertassoni博士說(shuō)："我們正在申請(qǐng)專利的支架非常易于使用，它可以像樂(lè)高積木一樣堆疊在一起，并以數(shù)千種不同的配置放置，以匹配幾乎任何情況的復(fù)雜性和大小，"

俄勒岡團(tuán)隊(duì)的 "骨磚"（如圖），能夠被堆疊成超過(guò)29000種組合，圖片來(lái)自《先進(jìn)科學(xué)》雜志

3D打印的生物材料支架

近年來(lái)，打印支架生物結(jié)構(gòu)已成為越來(lái)越熱門的研究課題，特別是在組織工程或再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。此外，3D打印技術(shù)的進(jìn)步使得患者特異性的可植入結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更具可擴(kuò)展性，在某些情況下，它們現(xiàn)在甚至可以在醫(yī)院內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。因此，組裝這些復(fù)雜的組織不再需要專業(yè)設(shè)備，這反過(guò)來(lái)又縮短了與植入物生產(chǎn)相關(guān)的準(zhǔn)備時(shí)間。

然而，理想的支架系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)仍被證明是難以捉摸的，這也是該技術(shù)沒(méi)有在醫(yī)院環(huán)境中得到更廣泛采用的原因之一。理想的組織支架需要與特定的缺陷架構(gòu)兼容，但同時(shí)也要允許細(xì)胞、生長(zhǎng)因子和水凝膠的可控加載。此外，根據(jù)科羅拉多團(tuán)隊(duì)的說(shuō)法，組織的時(shí)間控制對(duì)于組織在移植材料內(nèi)的生長(zhǎng)至關(guān)重要。

俄勒岡團(tuán)隊(duì)的3D打印骨磚

傳統(tǒng)上，骨科醫(yī)生通過(guò)將金屬棒或金屬板植入患者體內(nèi)來(lái)修復(fù)復(fù)雜的骨折，以穩(wěn)定骨骼。只有在手術(shù)后期，才會(huì)使用包裝有粉末或糊狀物的生物相容性支架材料，以促進(jìn)愈合。俄勒岡團(tuán)隊(duì)則開(kāi)發(fā)了一種新型的支架系統(tǒng)，它能精確地將填充有少量生長(zhǎng)因子凝膠的空心塊，放置在最接近需要它們的地方。

研究合著者Ramesh Subbiah博士解釋說(shuō):"3D打印微籠技術(shù)通過(guò)刺激正確類型的細(xì)胞在正確的地方、在正確的時(shí)間生長(zhǎng)來(lái)改善愈合，不同的生長(zhǎng)因子可以放置在每個(gè)塊內(nèi)，使我們能夠更精確和快速地修復(fù)組織。"

該團(tuán)隊(duì)的微籠內(nèi)部是中空的，這使得它們能夠以可控的方式裝載不同生物凝膠成分，并創(chuàng)建具有空間定義的支架。作為概念驗(yàn)證，該團(tuán)隊(duì)3D打印了一些加載了含有各種生長(zhǎng)因子的微觀顆粒狀水凝膠的塊。結(jié)果顯示，細(xì)胞已經(jīng)以快速和可控的方式進(jìn)入了支架，從而加速了新組織的形成和愈合過(guò)程。

每塊磚（如圖）都是1.5毫米的立方體，也就是小跳蚤的面積左右，圖片來(lái)自O(shè)HSU

測(cè)試研究人員的3D打印模塊化設(shè)計(jì)

利用一種β-磷酸三鈣陶瓷和基于光刻技術(shù)的陶瓷制造（LCM）3D打印技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了許多模塊化的微型籠子。該過(guò)程產(chǎn)生了尺寸為3.375 mm3的塊，中空尺寸為1.5×1.5×1.5 mm，壁厚為230-560 μm。總之，利用樣品磚，研究人員很容易就能生產(chǎn)出各種形狀的磚塊，同時(shí)在其周邊保持一致的輪廓。

通過(guò)使用四層4×4磚塊，俄勒岡團(tuán)隊(duì)計(jì)算出總共有29413種配置是可能的，這凸顯了該技術(shù)在患者定制骨支架方面的潛力。為了說(shuō)明他們的方法對(duì)其他剛性聚合物材料的適應(yīng)性，他們使用甲基丙烯酸酯基樹(shù)脂創(chuàng)建了一些其他磚塊，這種樹(shù)脂經(jīng)常在類似的再生程序中使用。

為了證明支架在再生應(yīng)用中的潛力，該團(tuán)隊(duì)使用數(shù)字光處理(DLP)3D打印創(chuàng)造了一系列異形產(chǎn)品，包括一個(gè)五角花狀的幾何形狀。然后，不同的人類重組生長(zhǎng)因子組合被手動(dòng)加載到不同形狀的模塊內(nèi)。疊加后，雙層塊的強(qiáng)度明顯降低到13.8兆帕，但這仍遠(yuǎn)高于報(bào)道的普通頜骨的3.9兆帕。

更重要的是，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在修復(fù)后的大鼠骨骼附近放置充滿生長(zhǎng)因子的塊體，導(dǎo)致血管生長(zhǎng)的數(shù)量是傳統(tǒng)支架材料的3倍左右。因此，研究人員得出結(jié)論，雖然他們的方法已經(jīng)針對(duì)硬組織的修復(fù)進(jìn)行了優(yōu)化，但這個(gè)概念可能適用于其他組織再生應(yīng)用。通過(guò)更多的研究，俄勒岡州的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，模塊化的方法可以用于修復(fù)大型動(dòng)物的更復(fù)雜的骨折，甚至可以用于制造人類移植的器官。

增材制造與骨修復(fù)

世界各地學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的一些研究人員已經(jīng)在探索3D生物打印植骨的概念。例如，曼徹斯特大學(xué)的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了與俄勒岡團(tuán)隊(duì)類似的骨磚。該裝置是為了應(yīng)對(duì)敘利亞難民營(yíng)的緊急醫(yī)療需求而創(chuàng)造的。

與此同時(shí)，代爾夫特理工大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)并打印了一種具有抗菌性的多孔鈦骨植入物。該移植體的協(xié)同抗菌行為可能會(huì)產(chǎn)生一種新型的植入物，這種植入物可以用最少的維護(hù)費(fèi)用延長(zhǎng)患者的壽命。

德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的科學(xué)家們則將3D打印、生物材料工程和干細(xì)胞生物學(xué)結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造出新型的、更高效的面部骨移植。這種高度成骨的支架不僅能促進(jìn)骨細(xì)胞的生長(zhǎng)，還能作為骨再生的堅(jiān)固平臺(tái)。

為了開(kāi)發(fā)和評(píng)估這項(xiàng)技術(shù)，俄勒岡大學(xué)團(tuán)隊(duì)與來(lái)自O(shè)HSU、俄勒岡大學(xué)、紐約大學(xué)和泰國(guó)Mahidol大學(xué)的同事合作。研究人員的研究結(jié)果詳見(jiàn)他們發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上的題為 "3D Printing of Microgel‐Loaded Modular Microcages as Instructive Scaffolds for Tissue Engineering "的論文。

該報(bào)告由Ramesh Subbiah、Christina Hipfinger、Anthony Tahayeri、Avathamsa Athirasala、Sivaporn Horsophonphong、Greeshma Thrivikraman、Cristiane Miranda França、Diana Araujo Cunha、Amin Mansoorifar、Albena Zahariev、James M. Jones、Paulo G.Coelho、Lukasz Witek、Hua Xie、Robert E.Guldberg和Luiz E.Bertasson。


編譯自：3dprintingindustry