WSU科學(xué)家在新型可定制的3D生物打印材料方面取得進(jìn)展

2021年5月19日，南極熊獲悉，華盛頓州立大學(xué)（WSU）機(jī)械與材料工程學(xué)院的一個(gè)研究小組開發(fā)了一種新型的、可定制的3D生物打印材料，旨在更好地模仿天然組織的結(jié)構(gòu)。

這種支架材料具有可定制的機(jī)械性能，能夠在各種環(huán)境下更好地促進(jìn)的自然細(xì)胞生長，為科學(xué)家提供了一種更可靠的定制組織制造途徑。這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人Arda Gozen教授表示這種材料作為一種易于打印的生物墨水有著光明的前景。他認(rèn)為，在未來醫(yī)生很可能只需要按下一個(gè)按鈕，就能用這種材料生物打印出一個(gè)支架，并按照需求為病人生產(chǎn)出可替代的皮膚、軟骨以及其他生物結(jié)構(gòu)。

Gozen解釋說道：“這種生物打印方法能否在制造功能組織方面獲得成功，很大程度上要取決于制造的結(jié)構(gòu)對本體組織的模仿程度。如果你想讓細(xì)胞生長并將其變成功能性組織，你需要與本體組織所處的機(jī)械環(huán)境相匹配。“

△ArdaGozen教授在生物打印實(shí)驗(yàn)室。照片來自WSU

3D生物打印的藝術(shù)

3D生物打印的最終目標(biāo)是要制造整個(gè)替代器官，這將會(huì)是一個(gè)里程碑式的跨越，將很大程度上消減移植所需的等待時(shí)間，并為全世界的醫(yī)療健康系統(tǒng)減輕巨大的負(fù)擔(dān)。目前，3D生物打印技術(shù)只能夠生產(chǎn)簡單的組織樣本，即生物材料被一層層地沉積到支架上，然后為細(xì)胞的生長提供一個(gè)培育的環(huán)境。

不幸的是，生物的進(jìn)化過程要遠(yuǎn)比我們目前的高精度微沉積系統(tǒng)要復(fù)雜得多，這意味著真正的生物細(xì)胞往往很難在人造的支架上生長。例如，皮膚細(xì)胞喜歡在感覺像真實(shí)皮膚的支架上生長，而肌肉細(xì)胞喜歡在感覺像真實(shí)肌肉的支架上生長。

3D生物打印的藝術(shù)主要在于欺騙到這些生物細(xì)胞，使其認(rèn)為自己被真實(shí)的東西所包圍。研究人員對他們的支架進(jìn)行微調(diào)的一個(gè)經(jīng)典案例是通過添加或移除支架，從而增加或減少結(jié)構(gòu)的剛度。雖然這種方法相對簡單，但它并不能完全提供最終使用的組織工程所需的靈活性。

Gozen補(bǔ)充說："在打印過程中，我們沒有太多的方向可以轉(zhuǎn)動(dòng)，但事實(shí)是你需要更多的自由度，以圖在不改變結(jié)構(gòu)的情況下創(chuàng)造出更軟或更硬的東西。"

△使用新型材料3D打印的一組支架。照片來自WSU

可兼容的3D生物墨水

為了滿足生物相容性的需要，華盛頓大學(xué)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具有可定制機(jī)械性能的新型生物墨水。這種生物墨水由明膠、阿拉伯膠和海藻酸鈉制造，它結(jié)合了三個(gè)化學(xué)過程，將三種成分 "綁 "在一起，幾乎像一條編織繩。調(diào)整獨(dú)立的化學(xué)過程使得科學(xué)家們能夠?qū)ψ罱K支架的硬度進(jìn)行微調(diào)，而不必通過支架來改變幾何形狀設(shè)計(jì)。Gozen也認(rèn)為這能夠在不改變支架設(shè)計(jì)的情況下調(diào)整性能，并提供我們所尋求的額外自由度。

雖然這項(xiàng)工作仍處于早期階段，但Gozen的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)用這種材料來3D打印鼻軟骨支架。模擬天然組織的復(fù)雜性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，但隨著打印參數(shù)或成分組成的變化，該團(tuán)隊(duì)相信它最終可以為更大規(guī)模的組織工程應(yīng)用制造出可用的支架結(jié)構(gòu)。

Gozen總結(jié)說：“你在這里不是在組裝樂高積木，因?yàn)檫@畢竟是要復(fù)制出能夠在人體中發(fā)揮作用的類天然組織結(jié)構(gòu)。盡管你可以制造出活體結(jié)構(gòu)，但它們看起來與原生組織完全不同。精確度是關(guān)鍵，因?yàn)閱误w組織實(shí)現(xiàn)不了特定的機(jī)械性能�！�

△一個(gè)3D打印的鼻子支架。照片來自WSU

與此類似，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員此前開發(fā)了一種3D生物打印工藝，能夠同時(shí)打印硬組織和軟組織，以修復(fù)皮膚和骨骼損傷。使用兩種專門設(shè)計(jì)的生物匯和生物打印工藝，該團(tuán)隊(duì)能夠在幾分鐘內(nèi)通過一次手術(shù)修復(fù)老鼠模型的頭骨和皮膚上的洞。

此外，阿卜杜拉國王科技大學(xué)的科學(xué)家最近也開發(fā)了一種基于超短肽的3D打印水凝膠支架的新方法，這個(gè)團(tuán)隊(duì)是使用短的氨基酸鏈來配制用于組織工程的生物墨水。

有關(guān)該研究的更多具體細(xì)節(jié)可以在題為 " 3D printed,mechanically tunable, composite sodium alginate, gelatin and Gum Arabic(SA-GEL-GA) scaffolds"的論文中看到。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405886621000063