開源 3D 打印生物反應(yīng)器 EnduroBone 用于骨骼領(lǐng)域研究

2024年 6 月 7 日，南極熊獲悉，佛羅里達(dá)國際大學(xué) (FIU) 的研究人員利用熔融沉積成型 (FDM) 技術(shù)制造了一個(gè)名為 EnduroBone 的開源生物反應(yīng)器。在生物醫(yī)學(xué)工程師 Anamika Prasad 的帶領(lǐng)下，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了這種設(shè)備，用于在體外和實(shí)驗(yàn)室中制造骨骼組織。這一突破的潛力巨大；它可以通過實(shí)現(xiàn)個(gè)性化骨植入物的生長推進(jìn)長期醫(yī)學(xué)研究，改變骨損傷和骨疾病的治療方法。建造說明使用 Creality 價(jià)格實(shí)惠的Ender 5 Plus 3D 打印機(jī)，可在線獲取，讓世界各地的研究人員可以復(fù)制和調(diào)整這項(xiàng)技術(shù)。



EnduroBone 的基本原理



在 FIU 工程與計(jì)算學(xué)院的中心地帶，Anamika Prasad 和她的團(tuán)隊(duì)一直在研究這種可 3D 打印的生物反應(yīng)器 EnduroBone 。EnduroBone 有幾個(gè)圓柱形的空洞，這些空洞是模仿天然骨骼結(jié)構(gòu)的小圓形空間，為骨細(xì)胞的生長和繁殖創(chuàng)造了合適的環(huán)境，這對(duì)于體外的長期生存至關(guān)重要。EnduroBone 結(jié)合了機(jī)械運(yùn)動(dòng)和營養(yǎng)流動(dòng)，以保持骨細(xì)胞健康。它有一個(gè)馬達(dá)，可以在放置骨樣本的組織孔上移動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)會(huì)輕輕地壓縮骨樣本，模擬骨骼在體內(nèi)經(jīng)歷的自然物理力，幫助骨細(xì)胞保持活躍和活力。同時(shí)，泵會(huì)持續(xù)向骨骼細(xì)胞輸送營養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)帶走廢物。這就像血液將營養(yǎng)物質(zhì)輸送到細(xì)胞并帶走廢物一樣。通過提供溫和的運(yùn)動(dòng)和營養(yǎng)物質(zhì)，EnduroBone 為骨骼細(xì)胞的生長創(chuàng)造了完美的環(huán)境。

EnduroBone 用于骨組織工程基礎(chǔ)研究


△ 生物反應(yīng)器 EnduroBone

通過提供機(jī)械刺激和穩(wěn)定的營養(yǎng)，EnduroBone 為骨細(xì)胞創(chuàng)造了一個(gè)高度“支持性環(huán)境”。這種設(shè)置使研究人員能夠研究骨細(xì)胞如何生長、如何對(duì)治療作出反應(yīng)以及在較長時(shí)間內(nèi)如何相互作用。最近發(fā)表在《HardwareX》雜志上的一項(xiàng)研究表明，骨骼樣本可以在 EnduroBone 中存活長達(dá) 28 天。這是一件大事，因?yàn)榭茖W(xué)家可以研究骨細(xì)胞如何在較長時(shí)間內(nèi)生長以及如何對(duì)治療作出反應(yīng)；還可以觀察骨細(xì)胞的變化，并在受控環(huán)境中測(cè)試新療法。EnduroBone 是骨組織工程領(lǐng)域的一大進(jìn)步，有可能改變治療骨損傷和骨疾病的方式。


△ 頂部框架內(nèi)基座平臺(tái)上的組織孔相同，每個(gè)組織孔均配備營養(yǎng)培養(yǎng)基的流入流出通道

FIU 表示，與MechanoCulture TX 和 TR 等價(jià)格超過 20000 美元的系統(tǒng)相比，EnduroBone 僅需 3,138 美元，提供了更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的集成解決方案。其他商用生物反應(yīng)器，如 OsteoGen 生物反應(yīng)器（一種可從 Tissue Growth Technologies 購買的直接灌注設(shè)備），僅提供基本的生理控制和持續(xù)灌注，但缺乏壓縮機(jī)械刺激。

EnduroBone 生物反應(yīng)器提供 Creative Commons 許可的開源平臺(tái)，讓世界各地的研究人員能夠復(fù)制和利用這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。得益于 3D 打印，這種硬件的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于商業(yè)同類產(chǎn)品，使高級(jí)骨骼研究更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且普及。

研究文件提供了構(gòu)建 EnduroBone 生物反應(yīng)器的清晰而詳細(xì)的說明。研究人員創(chuàng)建并發(fā)布了 CAD 文件，并使用 Creality 的 Ender 5 Plus 3D 打印機(jī)以特定設(shè)置打印了所有零件。打印后，零件上涂有 Smooth-On 的 XTC-3D 密封劑，以確保營養(yǎng)物質(zhì)密封牢固。組裝過程包括徹底清潔和使用道康寧的 PDMS Sylgard-184 對(duì)組織孔進(jìn)行額外涂層，以實(shí)現(xiàn)生物相容性。這些全面的指南使研究人員能夠輕松、經(jīng)濟(jì)、有效地復(fù)制生物反應(yīng)器。

EnduroBone 用于骨癌治療研究


△ 此處的細(xì)胞（顯示為綠點(diǎn)）正在執(zhí)行其骨骼構(gòu)建任務(wù)，它們?cè)隗w外的 FIU 3D 打印生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行

除了基礎(chǔ)研究之外，Anamika Prasad 的團(tuán)隊(duì)還將使用 EnduroBone 為患有骨肉瘤（一種嚴(yán)重的骨癌）的兒童設(shè)計(jì)個(gè)性化植入物。該項(xiàng)目由佛羅里達(dá)癌癥創(chuàng)新基金和佛羅里達(dá)州衛(wèi)生部資助，旨在根據(jù)每位患者的獨(dú)特需求定制 3D 植入物。該團(tuán)隊(duì)與浸信會(huì)健康中心肌肉骨骼腫瘤外科主任 Juan Prettel 合作，希望改變年輕患者的癌癥治療和康復(fù)方式。

EnduroBone 用于軟骨研究

除了骨組織工程，EnduroBone 系統(tǒng)還有望用于軟骨研究，尤其是研究軟骨如何降解并轉(zhuǎn)化為骨骼。研究人員解釋說，這種多功能性意味著生物反應(yīng)器可用于許多生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，包括測(cè)試骨科設(shè)備和開發(fā)再生醫(yī)學(xué)的新療法。

研究團(tuán)隊(duì)希望 EnduroBone 能為研究外部刺激對(duì)骨組織的影響、疾病機(jī)制和潛在治療干預(yù)開辟新途徑。EnduroBone 的創(chuàng)建是為了加速骨生物學(xué)、骨骼發(fā)育和再生醫(yī)學(xué)的進(jìn)步，最終成為改善醫(yī)療保健的關(guān)鍵工具。