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

南極熊導(dǎo)讀：是否有可能在實(shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)組織，例如替代受傷的軟骨？維也納工業(yè)大學(xué)（TU Wien）已經(jīng)邁出了在實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(xì)胞。這些球體可以以任何幾何形狀排列，不同單元的細(xì)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(xué)得到驗(yàn)證，而軟骨組織以前被認(rèn)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(xué)材料科學(xué)與技術(shù)研究所的Oliver Kopinski-Grünwald表示：“從干細(xì)胞中培養(yǎng)軟骨細(xì)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(xì)胞團(tuán)塊會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變形狀，并經(jīng)常縮小。

為了避免這種情況，該所大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)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(xué)3D打印和生物制造研究小組負(fù)責(zé)人Aleksandr Ovsianikov教授表示：“干細(xì)胞首先被導(dǎo)入這些足球狀的微型籠子中，很快就會(huì)充滿這個(gè)狹小的空間。這樣，我們就能可靠地制造出細(xì)胞分布均勻、細(xì)胞密度極高的組織元件。以前的方法無法達(dá)到這一水平。

共同成長(zhǎng)

研究小組采用了分化干細(xì)胞的方法，這種干細(xì)胞已經(jīng)預(yù)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(xué)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(xì)胞會(huì)形成明顯的細(xì)胞外基質(zhì)，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)往往會(huì)阻礙不同細(xì)胞球體的理想生長(zhǎng)。

通過3D打印制造的多孔球體能夠?yàn)榧?xì)胞提供理想的定植環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)排列成任何理想形狀的目的。研究表明，不同球體的細(xì)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(xué)報(bào)》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(qiáng)的生物組裝動(dòng)力學(xué)”（傳送門）

Kopinski-Grünwald表示：“這是我們首次能夠清晰展示的成果�！痹陲@微鏡下，可以清晰地觀察到相鄰球體之間的細(xì)胞遷移現(xiàn)象，細(xì)胞從一個(gè)球體遷移到另一個(gè)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(duì)比，這些方法中相鄰細(xì)胞團(tuán)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(shí)賦予整體結(jié)構(gòu)機(jī)械穩(wěn)定性。幾個(gè)月后，塑料結(jié)構(gòu)就會(huì)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(biāo)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(shì)。

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(dá)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(shí)還必須包括血管。