2024年 6 月 7 日,南極熊獲悉,佛羅里達國際大學 (FIU) 的研究人員利用熔融沉積成型 (FDM) 技術制造了一個名為 EnduroBone 的開源生物反應器。在生物醫(yī)學工程師 Anamika Prasad 的帶領下,研究團隊開發(fā)了這種設備,用于在體外和實驗室中制造骨骼組織。這一突破的潛力巨大;它可以通過實現(xiàn)個性化骨植入物的生長推進長期醫(yī)學研究,改變骨損傷和骨疾病的治療方法。建造說明使用 Creality 價格實惠的Ender 5 Plus 3D 打印機,可在線獲取,讓世界各地的研究人員可以復制和調(diào)整這項技術。
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EnduroBone 的基本原理
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在 FIU 工程與計算學院的中心地帶,Anamika Prasad 和她的團隊一直在研究這種可 3D 打印的生物反應器 EnduroBone 。EnduroBone 有幾個圓柱形的空洞,這些空洞是模仿天然骨骼結構的小圓形空間,為骨細胞的生長和繁殖創(chuàng)造了合適的環(huán)境,這對于體外的長期生存至關重要。EnduroBone 結合了機械運動和營養(yǎng)流動,以保持骨細胞健康。它有一個馬達,可以在放置骨樣本的組織孔上移動。這種運動會輕輕地壓縮骨樣本,模擬骨骼在體內(nèi)經(jīng)歷的自然物理力,幫助骨細胞保持活躍和活力。同時,泵會持續(xù)向骨骼細胞輸送營養(yǎng)物質(zhì),同時帶走廢物。這就像血液將營養(yǎng)物質(zhì)輸送到細胞并帶走廢物一樣。通過提供溫和的運動和營養(yǎng)物質(zhì),EnduroBone 為骨骼細胞的生長創(chuàng)造了完美的環(huán)境。
EnduroBone 用于骨組織工程基礎研究
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△ 生物反應器 EnduroBone
通過提供機械刺激和穩(wěn)定的營養(yǎng),EnduroBone 為骨細胞創(chuàng)造了一個高度“支持性環(huán)境”。這種設置使研究人員能夠研究骨細胞如何生長、如何對治療作出反應以及在較長時間內(nèi)如何相互作用。最近發(fā)表在《HardwareX》雜志上的一項研究表明,骨骼樣本可以在 EnduroBone 中存活長達 28 天。這是一件大事,因為科學家可以研究骨細胞如何在較長時間內(nèi)生長以及如何對治療作出反應;還可以觀察骨細胞的變化,并在受控環(huán)境中測試新療法。EnduroBone 是骨組織工程領域的一大進步,有可能改變治療骨損傷和骨疾病的方式。
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△ 頂部框架內(nèi)基座平臺上的組織孔相同,每個組織孔均配備營養(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)濟實惠的集成解決方案。其他商用生物反應器,如 OsteoGen 生物反應器(一種可從 Tissue Growth Technologies 購買的直接灌注設備),僅提供基本的生理控制和持續(xù)灌注,但缺乏壓縮機械刺激。
EnduroBone 生物反應器提供 Creative Commons 許可的開源平臺,讓世界各地的研究人員能夠復制和利用這項創(chuàng)新技術。得益于 3D 打印,這種硬件的生產(chǎn)成本遠低于商業(yè)同類產(chǎn)品,使高級骨骼研究更加經(jīng)濟實惠且普及。
研究文件提供了構建 EnduroBone 生物反應器的清晰而詳細的說明。研究人員創(chuàng)建并發(fā)布了 CAD 文件,并使用 Creality 的 Ender 5 Plus 3D 打印機以特定設置打印了所有零件。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 對組織孔進行額外涂層,以實現(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、有效地復制生物反應器。
EnduroBone 用于骨癌治療研究
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△ 此處的細胞(顯示為綠點)正在執(zhí)行其骨骼構建任務,它們在體外的 FIU 3D 打印生物反應器內(nèi)進行
除了基礎研究之外,Anamika Prasad 的團隊還將使用 EnduroBone 為患有骨肉瘤(一種嚴重的骨癌)的兒童設計個性化植入物。該項目由佛羅里達癌癥創(chuàng)新基金和佛羅里達州衛(wèi)生部資助,旨在根據(jù)每位患者的獨特需求定制 3D 植入物。該團隊與浸信會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化為骨骼。研究人員解釋說,這種多功能性意味著生物反應器可用于許多生物醫(yī)學研究領域,包括測試骨科設備和開發(fā)再生醫(yī)學的新療法。
研究團隊希望 EnduroBone 能為研究外部刺激對骨組織的影響、疾病機制和潛在治療干預開辟新途徑。EnduroBone 的創(chuàng)建是為了加速骨生物學、骨骼發(fā)育和再生醫(yī)學的進步,最終成為改善醫(yī)療保健的關鍵工具。
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