用于軟骨修復(fù)的手持式原位生物3D打印裝置

來源： EngineeringForLife  

骨關(guān)節(jié)炎在發(fā)達(dá)國家中是僅次于心血管疾病的最常見致殘原因，由于骨關(guān)節(jié)炎早期的生理癥狀通常不易被發(fā)現(xiàn)且不能自我修復(fù)，因此目前還沒有一種臨床策略能夠?qū)崟r地修復(fù)透明軟骨。生物打印方法的主要優(yōu)點是能夠根據(jù)缺損或特定病變的解剖結(jié)構(gòu)量身定做植入物，然而軟骨損傷修復(fù)手術(shù)前可能無法準(zhǔn)確地知道要填充的最終缺損的大小和形狀，從而需要一種非外部構(gòu)建替代組織，而是直接構(gòu)建在傷口上或傷口內(nèi)的打印策略。

來自澳大利亞臥龍崗大學(xué)智能聚合物研究所的Gordon GWallace團(tuán)隊在Biofabrication雜志上發(fā)表的“Development of the Biopen: a handheld device for surgical printing of adipose stem cells at a chondral wound site”文章中，研究人員開發(fā)了一種稱為“Biopen”的適用于手術(shù)室中的手持式原位生物打印裝置，該裝置能夠以直接寫入的方式打印活細(xì)胞和GelMA/HAMA生物墨水。相比于機(jī)器人操作的生物打印機(jī)相比，該制造方法具有可手動使用、結(jié)構(gòu)小巧靈活便于無菌操作及具有很好的生物相容性等優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于軟骨修復(fù)的臨床操作中。

首先，研究人員研制了一種手持式原位生物打印裝置，如圖1所示。該裝置由一個生物墨水墨盒、一個金屬打印噴嘴和一個365nm UV光源組成，生物墨水墨盒內(nèi)含有左右兩個墨水室。研究人員通過氣壓擠出單獨控制每個墨水室材料的擠出，通過UV光源實現(xiàn)打印材料的光固化。

圖1 手持式原位生物打印裝置的設(shè)計

接下來研究人員通過對GelMA/HAMA水凝膠的材料性能進(jìn)行測試，包括其流變學(xué)的剪切變稀測試及溫度掃描測試（圖2）和原位UV光固化測試（圖3），從而進(jìn)一步確定打印參數(shù)。需要注意的是，往GelMA中添加HAMA可以增加水凝膠的黏度，從而提高生物墨水的可打印性，且在GelMA水凝膠中添加HAMA有助于提高組織工程軟骨結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。

圖2 流變學(xué)測試

圖3 UV光固化測試

其次，研究人員對手持式原位生物打印裝置的打印成型性進(jìn)行了分析，包括打印速度的穩(wěn)定性（圖4）以及擠出成絲（圖5）和二維圖案打印（圖6）的清晰度。

圖4 打印速度穩(wěn)定性實驗

圖5 GelMa/HAMa水凝膠擠出成絲

圖6 使用GelMA/HAMA生物墨水打印二維圖案（A手寫，B直寫）

最后，研究人員通過打印包裹著人類脂肪干細(xì)胞的GelMA/HAMA生物墨水來驗證其打印后的生物相容性。經(jīng)體外實驗表明，人脂肪干細(xì)胞在GelMA/HAMA水凝膠中打印一周后仍能保持較高的活性(>97%)。

總的來說，該研究開發(fā)了一種提出了一種名為“Biopen”的手持式原位生物打印工具，該工具能夠以手動或直寫的方式打印適用于軟骨修復(fù)的GelMA/HAMA水凝膠。該研究中的手持式原位生物打印工具不僅為3D生物打印在軟骨、皮膚和骨骼組織再生領(lǐng)域手術(shù)過程中的應(yīng)用提供了一種新的可能。從長遠(yuǎn)來看，將手持式原位生物打印應(yīng)用于臨床之中除了技術(shù)方面的考量之外還有倫理與監(jiān)管的考驗。雖然可能面對很多的問題，但將手持式原位生物打印技術(shù)應(yīng)用于臨床之中會對組織器官修復(fù)再生領(lǐng)域起到重大的推動作用。

論文鏈接：
https://iopscience.iop.org/artic ... 090/8/1/015019/meta