受樂高啟發(fā)，俄勒岡州研究人員開發(fā)出3D打印 "骨磚"

2020年7月27日，南極熊從外媒獲悉，俄勒岡健康與科學大學(OHSU)的研究人員已經(jīng)3D打印出微型樂高式的 "骨磚"，這種骨磚有可能能夠治愈斷裂的骨骼組織。

研究人員的微小空心磚只有小跳蚤大小，可以作為支架，硬組織和軟組織都可以在上面重新生長。此外，模塊的可堆疊性使它們能夠像玩具磚一樣相互交錯，提供可擴展性以及數(shù)千種潛在的幾何配置。最終，俄勒岡州團隊的目標是擴大該技術的規(guī)模，并使用微籠來生產實驗室制造的器官，以代替人類移植。

OHSU醫(yī)學院生物醫(yī)學工程副教授Luiz Bertassoni博士說："我們正在申請專利的支架非常易于使用，它可以像樂高積木一樣堆疊在一起，并以數(shù)千種不同的配置放置，以匹配幾乎任何情況的復雜性和大小，"

俄勒岡團隊的 "骨磚"（如圖），能夠被堆疊成超過29000種組合，圖片來自《先進科學》雜志

3D打印的生物材料支架

近年來，打印支架生物結構已成為越來越熱門的研究課題，特別是在組織工程或再生醫(yī)學中的應用。此外，3D打印技術的進步使得患者特異性的可植入結構的設計更具可擴展性，在某些情況下，它們現(xiàn)在甚至可以在醫(yī)院內現(xiàn)場生產。因此，組裝這些復雜的組織不再需要專業(yè)設備，這反過來又縮短了與植入物生產相關的準備時間。

然而，理想的支架系統(tǒng)的開發(fā)仍被證明是難以捉摸的，這也是該技術沒有在醫(yī)院環(huán)境中得到更廣泛采用的原因之一。理想的組織支架需要與特定的缺陷架構兼容，但同時也要允許細胞、生長因子和水凝膠的可控加載。此外，根據(jù)科羅拉多團隊的說法，組織的時間控制對于組織在移植材料內的生長至關重要。

俄勒岡團隊的3D打印骨磚

傳統(tǒng)上，骨科醫(yī)生通過將金屬棒或金屬板植入患者體內來修復復雜的骨折，以穩(wěn)定骨骼。只有在手術后期，才會使用包裝有粉末或糊狀物的生物相容性支架材料，以促進愈合。俄勒岡團隊則開發(fā)了一種新型的支架系統(tǒng)，它能精確地將填充有少量生長因子凝膠的空心塊，放置在最接近需要它們的地方。

研究合著者Ramesh Subbiah博士解釋說:"3D打印微籠技術通過刺激正確類型的細胞在正確的地方、在正確的時間生長來改善愈合，不同的生長因子可以放置在每個塊內，使我們能夠更精確和快速地修復組織。"

該團隊的微籠內部是中空的，這使得它們能夠以可控的方式裝載不同生物凝膠成分，并創(chuàng)建具有空間定義的支架。作為概念驗證，該團隊3D打印了一些加載了含有各種生長因子的微觀顆粒狀水凝膠的塊。結果顯示，細胞已經(jīng)以快速和可控的方式進入了支架，從而加速了新組織的形成和愈合過程。

每塊磚（如圖）都是1.5毫米的立方體，也就是小跳蚤的面積左右，圖片來自OHSU

測試研究人員的3D打印模塊化設計

利用一種β-磷酸三鈣陶瓷和基于光刻技術的陶瓷制造（LCM）3D打印技術，該團隊創(chuàng)造了許多模塊化的微型籠子。該過程產生了尺寸為3.375 mm3的塊，中空尺寸為1.5×1.5×1.5 mm，壁厚為230-560 μm�？傊�，利用樣品磚，研究人員很容易就能生產出各種形狀的磚塊，同時在其周邊保持一致的輪廓。

通過使用四層4×4磚塊，俄勒岡團隊計算出總共有29413種配置是可能的，這凸顯了該技術在患者定制骨支架方面的潛力。為了說明他們的方法對其他剛性聚合物材料的適應性，他們使用甲基丙烯酸酯基樹脂創(chuàng)建了一些其他磚塊，這種樹脂經(jīng)常在類似的再生程序中使用。

為了證明支架在再生應用中的潛力，該團隊使用數(shù)字光處理(DLP)3D打印創(chuàng)造了一系列異形產品，包括一個五角花狀的幾何形狀。然后，不同的人類重組生長因子組合被手動加載到不同形狀的模塊內。疊加后，雙層塊的強度明顯降低到13.8兆帕，但這仍遠高于報道的普通頜骨的3.9兆帕。

更重要的是，進一步的實驗發(fā)現(xiàn)，在修復后的大鼠骨骼附近放置充滿生長因子的塊體，導致血管生長的數(shù)量是傳統(tǒng)支架材料的3倍左右。因此，研究人員得出結論，雖然他們的方法已經(jīng)針對硬組織的修復進行了優(yōu)化，但這個概念可能適用于其他組織再生應用。通過更多的研究，俄勒岡州的團隊認為，模塊化的方法可以用于修復大型動物的更復雜的骨折，甚至可以用于制造人類移植的器官。

增材制造與骨修復

世界各地學術機構的一些研究人員已經(jīng)在探索3D生物打印植骨的概念。例如，曼徹斯特大學的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了與俄勒岡團隊類似的骨磚。該裝置是為了應對敘利亞難民營的緊急醫(yī)療需求而創(chuàng)造的。

與此同時，代爾夫特理工大學的研究人員設計并打印了一種具有抗菌性的多孔鈦骨植入物。該移植體的協(xié)同抗菌行為可能會產生一種新型的植入物，這種植入物可以用最少的維護費用延長患者的壽命。

德克薩斯農工大學的科學家們則將3D打印、生物材料工程和干細胞生物學結合起來，創(chuàng)造出新型的、更高效的面部骨移植。這種高度成骨的支架不僅能促進骨細胞的生長，還能作為骨再生的堅固平臺。

為了開發(fā)和評估這項技術，俄勒岡大學團隊與來自OHSU、俄勒岡大學、紐約大學和泰國Mahidol大學的同事合作。研究人員的研究結果詳見他們發(fā)表在《先進材料》雜志上的題為 "3D Printing of Microgel‐Loaded Modular Microcages as Instructive Scaffolds for Tissue Engineering "的論文。

該報告由Ramesh Subbiah、Christina Hipfinger、Anthony Tahayeri、Avathamsa Athirasala、Sivaporn Horsophonphong、Greeshma Thrivikraman、Cristiane Miranda França、Diana Araujo Cunha、Amin Mansoorifar、Albena Zahariev、James M. Jones、Paulo G.Coelho、Lukasz Witek、Hua Xie、Robert E.Guldberg和Luiz E.Bertasson。


編譯自：3dprintingindustry