科學(xué)家開發(fā)新型生物墨水能直接“打印”出骨組織

3D打印技術(shù)不僅能用于工業(yè)，在醫(yī)學(xué)上也有廣泛的應(yīng)用前景。此前，許多科學(xué)家已經(jīng)在研究利用3D打印技術(shù)直接“打印”出人體組織。

近日，Akhilesh K. Gaharwar博士，一名副教授，已經(jīng)開發(fā)出一種高度可打印的生物墨水，作為生成解剖級(jí)功能組織的平臺(tái)。

這項(xiàng)研究最近發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會(huì)的《應(yīng)用材料與界面》雜志上。

生物打印是一種新興的增材制造方法，它利用水凝膠等生物材料，將它們與細(xì)胞和生長因子結(jié)合，然后打印出模擬自然組織的組織樣結(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用可能是設(shè)計(jì)針對(duì)病人的骨移植，這一領(lǐng)域正引起研究人員和臨床醫(yī)生的興趣。

通過傳統(tǒng)的治療方法處理骨質(zhì)缺損和損傷往往是緩慢和昂貴的。

Gaharwar說，發(fā)展替代骨組織可以為患有關(guān)節(jié)炎、骨折、牙齒感染和顱面缺陷的病人創(chuàng)造令人興奮的新療法。

生物打印技術(shù)需要充滿細(xì)胞的生物材料，它們可以像液體一樣通過噴嘴流動(dòng)，但幾乎一沉積下來就會(huì)凝固。

這些生物墨水需要同時(shí)作為細(xì)胞載體和結(jié)構(gòu)成分，要求它們高度可打印，同時(shí)提供一個(gè)穩(wěn)定的、對(duì)細(xì)胞友好的微環(huán)境。

然而，目前的生物油墨缺乏足夠的生物相容性、印刷性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和組織特異的功能以將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于臨床前和臨床應(yīng)用。

為了解決這個(gè)問題，Gaharwar的研究小組正在努力開發(fā)先進(jìn)的生物墨水，即納米工程離子-共價(jià)糾纏(NICE)生物油墨。

NICE生物墨水是兩種加固技術(shù)(非加固技術(shù)和離子共價(jià)網(wǎng)絡(luò)技術(shù))的結(jié)合，它們共同提供更有效的加固，從而形成更堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。

一旦生物印刷完成，充滿細(xì)胞的NICE網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)形成更堅(jiān)固的支架。

這項(xiàng)技術(shù)使該實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)θ梭w部分進(jìn)行全面的、細(xì)胞友好的重建，包括耳朵、血管、軟骨甚至骨骼部分。

生物印刷后不久，封閉的細(xì)胞開始沉積富含軟骨樣細(xì)胞外基質(zhì)的新蛋白，隨后在三個(gè)月內(nèi)鈣化形成礦化骨。

幾乎5%的打印支架由鈣構(gòu)成，類似于松質(zhì)骨，松質(zhì)骨是脊椎骨骼中常見的海綿狀組織網(wǎng)絡(luò)。

為了了解這些生物打印的結(jié)構(gòu)如何誘導(dǎo)干細(xì)胞分化，使用了一種被稱為全轉(zhuǎn)錄組測(cè)序(RNA-seq)的下一代基因組技術(shù)。RNA-seq在特定時(shí)刻捕捉細(xì)胞內(nèi)所有遺傳信息的快照。

該團(tuán)隊(duì)與德州農(nóng)工大學(xué)健康科學(xué)中心的Irtisha Singh博士一起工作，后者是該團(tuán)隊(duì)的聯(lián)合調(diào)查員。

Gaharwar說:“3D生物打印的下一個(gè)里程碑是生物打印構(gòu)建體在功能組織生成方面的成熟�！�

“我們的研究表明，我們實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的NICE生物墨水可以用來制造3d功能性的骨組織�！痹谖磥�，Gaharwar的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃展示3d生物打印骨組織的體內(nèi)功能。

此前，加州大學(xué)伯克利分校研究人員展示了一種新技術(shù)，能夠在平面上快速打印多達(dá)10種不同類型的細(xì)胞或蛋白質(zhì)的復(fù)雜圖案。

加拿大的一組研究人員則已經(jīng)成功地試驗(yàn)了一種新的手持3D皮膚打印機(jī)，這種打印機(jī)可以通過直接在傷口上“打印”新的皮膚細(xì)胞來治療嚴(yán)重的燒傷。

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