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研究人员开发同时进行皮肤和骨骼修复的生物3D打印技术
更新时间：2021-05-10 10:37:38
宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发了一种生物3D打印工艺，该工艺能够同时打印硬组织和软组织，以修复皮肤和骨骼的损伤。使用两个专门设计的生物墨水和生物打印工艺，该团队能够在一个步骤中在几分钟内修复大鼠模型的头骨和皮肤上的孔。研究人员的目标是最终将他们的研究成果转化为人类应用，以实现更快，更有效的皮肤和骨骼愈合方法。
“这项工作具有临床意义，”宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学，生物医学工程与神经外科工程学和力学的副教授Ibrahim T. Ozbolat说：“处理复合缺陷，一次固定硬组织和软组织是困难的。对于颅面区域，结果必须在美学上令人愉悦。没有一种手术方法可以一次修复软组织和硬组织。这就是为什么我们试图证明一种技术，以便我们一次可以重建整个缺陷-骨到表皮。”
修复皮肤和骨骼受伤
由于涉及的不同类型组织的多层，修复面部和颅骨的皮肤和骨骼的创伤非常具有挑战性。当前的方法包括使用患者身体另一部分的骨头，该骨头必须覆盖在软组织中，并且血液也要从其他地方采集，然后分别修复软组织和皮肤。近年来，用于再生医学和组织工程的3D打印生物结构越来越受到关注。正在为这些应用不断开发新的生物墨水，并将3D打印与生物材料工程和干细胞生物学等技术相结合，以创建更广泛的可定制骨移植材料。
例如，仅在过去的一年中，研究人员就研究了3D打印的乐高式“骨头砖”如何治愈破碎的骨骼组织，3D生物打印的纳米复合材料支架可以促进骨形成的方式以及3D打印的包含活细胞的陶瓷结构如何在骨组织工程应用中具有潜在用途。关于软组织，已经出现了3D打印的产生T细胞的水凝胶，3D生物打印的定制化鼻软骨以用于术后面部变形的患者，以及支持长期细胞存活的3D打印的水凝胶。然而，根据宾夕法尼亚州立大学的研究人员，尚未实现同时对软组织和硬组织进行3D打印的方法，这促使他们进行了实验。
KAUST的3D打印水凝胶可支持长期细胞存活，并具有再生医学应用的潜力。图片来自KAUST。
对硬组织和软组织进行生物打印
为了解决上述挑战，Ozbolat和他的团队使用了挤压和液滴生物打印技术的组合来沉积细胞和载体材料的混合物，以产生骨骼和软组织，用于修复大鼠模型的颅骨损伤。研究人员首先关注骨骼修复的元素。他们开发了一种由胶原蛋白，壳聚糖，纳米羟基磷灰石和间充质干细胞组成的“硬组织墨水”，它们是在骨髓中发现的能产生骨骼，软骨和骨髓脂肪的多能细胞。骨骼在室温下挤出，一旦施加后加热至体温，以刺激胶原蛋白和墨水其他部分的交联。这消除了添加交联剂的化学变化的需要。
为了制造软组织，研究人员使用液滴3D打印技术在具有交联和生长促进化合物的交替层中沉积胶原蛋白和纤维蛋白原。印刷的软组织层在成分上有所不同，以反映皮肤层的变化。
该团队进行了实验，分别使用每种技术修复直径为6mm的孔。一旦证明成功，他们便开始在同一手术过程中修复硬组织和软组织。Ozbolat说：“这种方法是一个极富挑战性的过程，实际上，我们花了大量时间来寻找适合骨骼，皮肤和正确的生物打印技术的材料。”
皮肤和骨骼生物打印过程的示意图。图片来自宾夕法尼亚州立大学Ozbolat实验室。
“这项工作具有临床意义，”宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学，生物医学工程与神经外科工程学和力学的副教授Ibrahim T. Ozbolat说：“处理复合缺陷，一次固定硬组织和软组织是困难的。对于颅面区域，结果必须在美学上令人愉悦。没有一种手术方法可以一次修复软组织和硬组织。这就是为什么我们试图证明一种技术，以便我们一次可以重建整个缺陷-骨到表皮。”
修复皮肤和骨骼受伤
由于涉及的不同类型组织的多层，修复面部和颅骨的皮肤和骨骼的创伤非常具有挑战性。当前的方法包括使用患者身体另一部分的骨头，该骨头必须覆盖在软组织中，并且血液也要从其他地方采集，然后分别修复软组织和皮肤。近年来，用于再生医学和组织工程的3D打印生物结构越来越受到关注。正在为这些应用不断开发新的生物墨水，并将3D打印与生物材料工程和干细胞生物学等技术相结合，以创建更广泛的可定制骨移植材料。
例如，仅在过去的一年中，研究人员就研究了3D打印的乐高式“骨头砖”如何治愈破碎的骨骼组织，3D生物打印的纳米复合材料支架可以促进骨形成的方式以及3D打印的包含活细胞的陶瓷结构如何在骨组织工程应用中具有潜在用途。关于软组织，已经出现了3D打印的产生T细胞的水凝胶，3D生物打印的定制化鼻软骨以用于术后面部变形的患者，以及支持长期细胞存活的3D打印的水凝胶。然而，根据宾夕法尼亚州立大学的研究人员，尚未实现同时对软组织和硬组织进行3D打印的方法，这促使他们进行了实验。
KAUST的3D打印水凝胶可支持长期细胞存活，并具有再生医学应用的潜力。图片来自KAUST。
对硬组织和软组织进行生物打印
为了解决上述挑战，Ozbolat和他的团队使用了挤压和液滴生物打印技术的组合来沉积细胞和载体材料的混合物，以产生骨骼和软组织，用于修复大鼠模型的颅骨损伤。研究人员首先关注骨骼修复的元素。他们开发了一种由胶原蛋白，壳聚糖，纳米羟基磷灰石和间充质干细胞组成的“硬组织墨水”，它们是在骨髓中发现的能产生骨骼，软骨和骨髓脂肪的多能细胞。骨骼在室温下挤出，一旦施加后加热至体温，以刺激胶原蛋白和墨水其他部分的交联。这消除了添加交联剂的化学变化的需要。
为了制造软组织，研究人员使用液滴3D打印技术在具有交联和生长促进化合物的交替层中沉积胶原蛋白和纤维蛋白原。印刷的软组织层在成分上有所不同，以反映皮肤层的变化。
该团队进行了实验，分别使用每种技术修复直径为6mm的孔。一旦证明成功，他们便开始在同一手术过程中修复硬组织和软组织。Ozbolat说：“这种方法是一个极富挑战性的过程，实际上，我们花了大量时间来寻找适合骨骼，皮肤和正确的生物打印技术的材料。”
皮肤和骨骼生物打印过程的示意图。图片来自宾夕法尼亚州立大学Ozbolat实验室。
同时进行生物打印
首先，团队进行了成像处理，以精确确定缺陷的几何形状。然后对骨骼层进行3D打印，在其上沉积模仿骨膜的屏障层-围绕颅骨的血管化组织层-以防止皮肤层细胞迁移到骨骼区域并在那里生长。接下来，研究人员以3D方式打印模仿皮肤的真皮和表皮的软组织层。根据Ozbolat的说法，不到3分钟即可将骨骼层和软组织3D打印在一起。
在整个实验过程中，研究人员进行了50多次缺损闭合，并在4周内实现了100％的软组织闭合。六周内，骨组织的闭合率为80％。值得注意的是，据中国3D打印网了解，即使采用更传统的收获式骨替代方法，骨闭合在6周内也很少达到100％。
该项目的下一步是添加血管化化合物，以增加流向骨骼的血液。最终，该小组希望将他们的研究成果转化为人类应用，目前正在宾夕法尼亚州荷西医学中心与神经外科医师，颅颌面外科医师和整形外科医师合作，使用更大的生物打印设备来进行测试。
来源：中国3D打印网
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