研究人員受樂高啟發(fā)開發(fā)3D打印自愈合“骨磚”

魔猴君  行業(yè)資訊   1549天前

俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)（OHSU）的研究人員使用3D打印的微型樂高風(fēng)格“骨頭磚”，具有治愈骨折骨骼組織的潛力。研究人員的微小空心塊只有一個(gè)小跳蚤的大小，可作為腳手架，使硬組織和軟組織都可以在其上生長(zhǎng)。此外，模塊的可堆疊特性使它們可以像積木一樣互鎖，提供可伸縮性以及成千上萬(wàn)種潛在的幾何配置。最終，俄勒岡團(tuán)隊(duì)旨在擴(kuò)大技術(shù)規(guī)模，并使用微籠生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室制造的器官進(jìn)行人類移植。

“我們正在申請(qǐng)專利的腳手架易于使用； OHSU醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程副教授Luiz Bertassoni博士說(shuō)：“它可以像樂高一樣堆疊在一起，并以成千上萬(wàn)種不同的配置放置，以適應(yīng)幾乎任何情況的復(fù)雜性和大小。

俄勒岡團(tuán)隊(duì)的“骨頭磚”（如圖）可以堆疊成29000多種組合。圖片來(lái)自《高級(jí)科學(xué)》雜志。

3D打印生物材料支架

近年來(lái)，印刷支架生物結(jié)構(gòu)已成為研究的熱點(diǎn)，特別是在組織工程或再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。此外，3D打印技術(shù)的進(jìn)步使患者特定的可植入結(jié)構(gòu)能夠以更具擴(kuò)展性的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在某些情況下，它們甚至可以在醫(yī)院內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。結(jié)果，組裝這些復(fù)雜的組織不再需要專門的設(shè)備，從而減少了與植入物生產(chǎn)相關(guān)的交貨時(shí)間。

盡管如此，理想的腳手架系統(tǒng)的開發(fā)仍被證明是難以捉摸的，這仍然是該技術(shù)尚未在醫(yī)院環(huán)境中被更廣泛采用的原因之一。理想的組織支持不僅要與缺陷特定的架構(gòu)兼容，而且還要允許細(xì)胞，生長(zhǎng)因子和水凝膠的受控加載。此外，根據(jù)Colorado團(tuán)隊(duì)的說(shuō)法，組織的暫時(shí)控制對(duì)于移植材料內(nèi)組織的向內(nèi)生長(zhǎng)至關(guān)重要。

俄勒岡團(tuán)隊(duì)的3D打印骨磚

常規(guī)上，整形外科醫(yī)生通過(guò)將金屬棒或金屬板植入患者體內(nèi)來(lái)修復(fù)復(fù)雜的骨折，以穩(wěn)定骨骼。只是在該過(guò)程的后期，才使用裝有粉末或糊劑的生物相容性支架材料來(lái)促進(jìn)愈合。另一方面，俄勒岡團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新穎的腳手架系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將裝有少量生長(zhǎng)因子凝膠的空心塊精確放置在最需要的位置。

研究的共同作者，Bertassoni OHSU實(shí)驗(yàn)室的博士后Ramesh Subbiah博士解釋說(shuō)：“ 3D打印的微籠技術(shù)通過(guò)刺激正確的細(xì)胞類型在正確的位置和正確的時(shí)間生長(zhǎng)來(lái)改善愈合。不同的生長(zhǎng)因子可以放置在每個(gè)塊體內(nèi)，使我們能夠更精確，更快速地修復(fù)組織?！?/span>

該小組的微型籠子內(nèi)部是空心的，從而使它們能夠以可控的方式裝載不同生物凝膠成分的貨物，并創(chuàng)建具有空間確定性指示線索的支架。作為概念的證明，3D團(tuán)隊(duì)打印了許多塊，塊中裝有含有各種生長(zhǎng)因子的微型顆粒狀水凝膠。結(jié)果表明，細(xì)胞以快速且可控的方式進(jìn)入了支架，從而加速了新組織的形成和愈合過(guò)程。

每塊磚（如圖）的大小為1.5毫米。通過(guò)OHSU拍攝。

測(cè)試研究人員的3D打印模塊化設(shè)計(jì)

該團(tuán)隊(duì)利用β-磷酸三鈣陶瓷和一種基于光刻的陶瓷制造（LCM）3D打印技術(shù)，創(chuàng)建了許多模塊化的微型籠式系統(tǒng)。該工藝產(chǎn)生的塊尺寸為3.375 mm3，空心尺寸為1.5×1.5×1.5 mm，壁厚為230–560 μm?？傊?，使用樣本磚，研究人員可以輕松制作出各種形狀，同時(shí)在其周圍保持一致的輪廓。俄勒岡團(tuán)隊(duì)研究了四層4×4區(qū)塊，總共可以配置29,413種配置，從而突出了該技術(shù)在患者定制骨骼支架上的潛力。為了說(shuō)明其方法與其他剛性聚合物材料配合使用的適應(yīng)性，使用基于甲基丙烯酸酯的樹脂創(chuàng)建了許多其他磚，這些磚通常在類似的再生程序中使用。

為了展示腳手架在再生應(yīng)用中的潛力，該團(tuán)隊(duì)使用了數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)來(lái)創(chuàng)建一系列具有五點(diǎn)花狀幾何形狀的異型產(chǎn)品。然后將人重組生長(zhǎng)因子的不同組合手動(dòng)加載到各種形狀的模塊中。堆疊后，兩層砌塊的強(qiáng)度顯著降低至13.8 MPa，但這仍遠(yuǎn)高于報(bào)道的平均顎骨3.9 MPa的強(qiáng)度。

此外，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，放置在修復(fù)的大鼠骨骼附近的充滿生長(zhǎng)因子的塊體導(dǎo)致的血管生長(zhǎng)是傳統(tǒng)腳手架材料的三倍。結(jié)果，研究人員得出結(jié)論，盡管他們的方法已針對(duì)硬組織的修復(fù)進(jìn)行了優(yōu)化，但該概念可能適用于其他組織再生應(yīng)用。通過(guò)大量研究，俄勒岡團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，模塊化方法可用于修復(fù)較大動(dòng)物中更復(fù)雜的骨折，甚至用于人體移植。

增材制造和骨修復(fù)

來(lái)自全球?qū)W術(shù)機(jī)構(gòu)的許多研究人員已經(jīng)在探索3D生物打印骨植入物的概念。例如，曼徹斯特大學(xué)的研究人員開發(fā)了與俄勒岡團(tuán)隊(duì)類似的骨磚。創(chuàng)建該設(shè)備是為了滿足敘利亞難民營(yíng)中緊急醫(yī)療需求。

同時(shí)，代爾夫特理工大學(xué)的研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)并印刷了具有抗菌特性的多孔鈦骨植入物。移植物的協(xié)同抗菌行為可能會(huì)產(chǎn)生一種新型的植入物，這種植入物可使患者維持最少的生命。

另一方面，得克薩斯州A＆M大學(xué)的科學(xué)家將3D打印，生物材料工程學(xué)和干細(xì)胞生物學(xué)相結(jié)合，創(chuàng)造出了新的，效率更高的面部骨移植物。高成骨性支架不僅促進(jìn)骨骼細(xì)胞的生長(zhǎng)，而且還可以作為骨骼再生的堅(jiān)固平臺(tái)。

來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng)