維也納工業(yè)大學開發(fā)借助3D打印生產(chǎn)人造軟骨的新方法

南極熊導讀：是否有可能在實驗室中生長組織，例如替代受傷的軟骨？維也納工業(yè)大學（TU Wien）已經(jīng)邁出了在實驗室中制造替代組織的重要一步，他們采用的技術(shù)與世界其他地方使用的方法大不相同。

△高分辨率3D打印工藝，用于創(chuàng)建由生物相容性和可降解塑料制成的微小多孔球體

在這項技術(shù)中，高分辨率3D打印工藝被用來制造由生物相容性和可降解塑料制成的微小多孔球體。然后，在球體上定植細胞。這些球體可以以任何幾何形狀排列，不同單元的細胞無縫結(jié)合，形成統(tǒng)一的活組織。南極熊獲悉，軟骨組織的概念現(xiàn)已在維也納工業(yè)大學得到驗證，而軟骨組織以前被認為在這方面特別具有挑戰(zhàn)性。

△可以通過在使用多光子光刻（MPL）制造的基于多孔PCL的微支架內(nèi)形成球體來生產(chǎn)支架球體（S-SPH）

3D打印用于組織工程的微型支架球體

維也納工業(yè)大學材料科學與技術(shù)研究所的Oliver Kopinski-Grünwald表示：“從干細胞中培養(yǎng)軟骨細胞并不是最大的挑戰(zhàn)。主要的問題是，你通常無法控制由此產(chǎn)生的組織的形狀。這也是由于這種干細胞團塊會隨著時間的推移而改變形狀，并經(jīng)�？s小。

為了避免這種情況，該所大學的研究團隊正在利用專門開發(fā)的激光高分辨率3D打印系統(tǒng)，制造出像迷你足球一樣的微小籠狀結(jié)構(gòu)，直徑只有三分之一毫米。這些結(jié)構(gòu)可作為支撐結(jié)構(gòu)，形成緊湊的積木，然后可以組裝成任何形狀。

該大學3D打印和生物制造研究小組負責人Aleksandr Ovsianikov教授表示：“干細胞首先被導入這些足球狀的微型籠子中，很快就會充滿這個狹小的空間。這樣，我們就能可靠地制造出細胞分布均勻、細胞密度極高的組織元件。以前的方法無法達到這一水平。

共同成長

研究小組采用了分化干細胞的方法，這種干細胞已經(jīng)預先定向形成特定類型的組織，本例中是軟骨組織。這種方法在醫(yī)學應(yīng)用中具有重要意義，但在構(gòu)建大型軟骨組織方面存在挑戰(zhàn)。在軟骨組織中，細胞會形成明顯的細胞外基質(zhì)，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)往往會阻礙不同細胞球體的理想生長。

通過3D打印制造的多孔球體能夠為細胞提供理想的定植環(huán)境，從而實現(xiàn)排列成任何理想形狀的目的。研究表明，不同球體的細胞能夠結(jié)合在一起，形成均勻一致的組織。

△該研究發(fā)表在《生物材料學報》上，題目為“支架球體作為自下而上軟骨組織工程的構(gòu)建模塊顯示出增強的生物組裝動力學”（傳送門）

Kopinski-Grünwald表示：“這是我們首次能夠清晰展示的成果。”在顯微鏡下，可以清晰地觀察到相鄰球體之間的細胞遷移現(xiàn)象，細胞從一個球體遷移到另一個球體，形成無縫連接的封閉結(jié)構(gòu)，與其它方法形成鮮明對比，這些方法中相鄰細胞團塊之間仍然存在可見的界面。

微型3D打印支架在組織持續(xù)成熟的同時賦予整體結(jié)構(gòu)機械穩(wěn)定性。幾個月后，塑料結(jié)構(gòu)就會降解，留下所需形狀的成品組織。

△軟骨形成S-SPH可用作通過生物組裝工程軟骨樣組織的構(gòu)建塊

醫(yī)療應(yīng)用

Kopinski-Grünwald指出：“最初的目標是生產(chǎn)量身定制的小塊軟骨組織，以便在受傷后植入現(xiàn)有的軟骨材料中。”然而，現(xiàn)在我們已經(jīng)證明，利用球形微支架生產(chǎn)軟骨組織的方法在原理上是可行的，并且相較于其他技術(shù)具有決定性的優(yōu)勢。

原則上，這種新方法并不局限于軟骨組織，還可以用于定制不同種類的大型組織，如骨組織。但是，要達到這一階段還有很多工作要做，考慮到與軟骨組織不同，這些組織在一定大小以上時還必須包括血管。