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科学家开发出未来或可实现器官移植的新型生物3D打印技术

发布时间:2021-03-09 17:27:06作者:原创阅读:1864

  aau讯(编辑 许乐)据外媒报道,布法罗大学的科学家于近日对外宣称其开发了一种快速的新型生物3D打印方法,这意味着人类朝着完全打印人体器官方向迈出了重要一步。

  

  使用基于VAT-SLA的新颖方法,该团队已能够将创建充满细胞的水凝胶结构从所需的6多个小时减少到19分钟。加快的生物制造方法还可以实现嵌入式血管网络的制造,这可能使其朝着3D打印移植器官方向迈出重要的一步。

  

  该研究的主要合著者Chi Zhou解释说:“我们的方法可以快速打印出厘米级的水凝胶模型。它显着减少了长时间暴露于传统3D打印中常见的环境应力所导致的零件变形和细胞损伤。我们开发的技术要比行业标准快10到50倍,而且它的工作原理与以前一样。”

  

  加快生物打印的步伐

  

  尽管在人体组织和器官移植中,生物打印充满细胞的结构具有巨大的潜力,但该技术仍处于起步阶段。迄今为止,由于水凝胶的沉积速率一直受到限制,而为了避免损坏其现有细胞,因此打印速度是阻碍更广泛采用这些方法所面临的问题之一。

  

  基于喷嘴的技术也有其他缺点,因为它们可能导致细胞长时间暴露于剪切应力以及低氧含量和温度中,从而在加工过程中对其造成损害。而且,使用常规方法生产的水凝胶支架通常显示出较低的机械强度,从而难以整合柔软的悬垂结构(如血管通道)。

  

  尽管使用较薄的支持物可以使科学家能够部分克服这一缺陷,但这种方法背后的挤压方法的简单性继续限制了其功能。相比之下,最近开发的连续液体界面生产(CLIP)技术具有极大地提高生物打印过程速度的潜力。

  

  通过在“盲区”上方连续构建层,CLIP方法可以不断补充材料,提高生产能力,但代价是仅能制造薄壁零件。在这种方法的基础上,布法罗团队现已开发出一种名为“ FLOAT”的方法,该方法可使水凝胶以更高的速度沉积,从而能够生产更大的血管化组织。

  

  科学家能够在不到20分钟的时间内3D打印手形结构(如图所示)。图片来自《高级医疗保健材料》杂志。

  

  “ FLOAT”生物打印方法

  

  在研究人员优化FLOAT方法期间,物体可以通过低吸力的水凝胶桶内的玻璃板进行固化,从而产生具有高弹性的厚零件。为了证明他们的方法具有生物相容性,研究小组首先用与细胞相容的PEGNB聚合物制备了一组样品。

  

  有趣的是,尽管测试零件表现出足够的刚度,但它们也收缩了多达51%,从而导致研究人员将较大的模型制作转向使用PEGDA材料。在其他测试中,布法罗团队3D打印了一些2.6×1.7×5.6 cm规格的手形水凝胶结构,“手指”在压缩状态下呈现弯曲状态。

  

  使用普通的SLA 3D打印机生产相同的模型需要花费大约6.5个小时的时间,大大超过了基于FLOAT的19分钟的工作时间。科学家们使用新方法制造的基于水凝胶的手还具有血管通道,这意味着它们最终可以被植入内皮细胞,以创造出可移植的功能性肢体。

  

  最终,科学家们能够将细胞补丁植入离体微通道,但他们还发现,将这些整合到强度更高的结构中会导致细胞活力降低。将来,该团队认为,转向使用掺杂纳米材料的聚合物可以为刚性平衡和相容性提供答案,并可以快速生产基于水凝胶的血管化结构。

  

  使生物打印走向现实

  

  尽管生物3D打印仍处于实验阶段,但有迹象表明该技术正在朝着更多最终用途应用的方向缓慢发展。

  

  3D打印机制造商3D Systems于今年早些时候宣布其Print to Perfusion生物打印平台取得了重大突破。该系统现在能够创建全尺寸的血管化肺支架,该公司表示该技术很快将在其医疗保健业务中发挥关键作用。

  

  生物技术公司United Therapeutics和以色列公司CollPlant在大规模生产3D打印肾脏模型的竞标中也取得了重大进展。这些公司已经将以前的工厂变成了现代化的生物3D打印生产线,以生产附加器官。

  

  在其他地方,创建人体功能器官的工作仅限于微型模型,例如德克萨斯州大学埃尔帕索分校的科学家创造的微型生物3D打印心脏。将血管化的结构发送到国际空间站(ISS),以测试微重力如何影响人的心脏。

  

  据悉,该项研究结果已经在题为“大规模生物相容性水凝胶模型的快速立体光刻打印”的论文中进行了详细介绍。”这项研究由Nanditha Anandakrishnan、Hang Ye、Zipeng Guo、Zhaowei Chen、Kyle I. Mentkowski、Jennifer K. Lang、Nika Rajabian、Stelios T. Andreadis、Zhen Ma、Joseph A. Spernyak、 Jonathan F. Lovell、Depeng Wang、Jun Xia、Chi Zhou和Ruogang Zhao合著。

 

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