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3D資訊
首頁 > 資訊中心青島3D打印人工軟骨組織的新方法
發(fā)布時間：2024-03-01
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維也納工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)研究所的研究人員開發(fā)了一種3D打印人造生物組織的新工藝。
這種方法利用高分辨率SLA 3D打印，用生物相容性和可降解塑料生產(chǎn)微小的多孔球體。然后，這些3D打印的足球形狀的支架或球體被干細胞定植并排列成特定的幾何形狀。
研究小組希望其發(fā)現(xiàn)將為制造人造組織以替代醫(yī)療手術(shù)中受損的軟骨開辟新的可能性。
新方法不僅限于軟骨組織，還可以用于定制不同種類的較大組織，例如骨組織。在研究人員將3D打印方法擴展到更復(fù)雜的醫(yī)療應(yīng)用之前，需要克服一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)，例如將血管納入更大的3D打印組織中。
研究作者Oliver Kopinski-Grünwald表示：“最初的目標(biāo)是生產(chǎn)小塊定制的軟骨組織，可以在受傷后插入現(xiàn)有的軟骨材料中?！?/span>
“無論如何，我們現(xiàn)在已經(jīng)能夠證明，我們使用球形微支架生產(chǎn)軟骨組織的方法原則上是有效的，并且比其他技術(shù)具有決定性的優(yōu)勢?！?/span>
3D打印的球體，充滿活細胞
使用3D打印細胞支架制造軟骨組織
Kopinski-Grünwald表示，利用干細胞培養(yǎng)軟骨組織時面臨的主要挑戰(zhàn)是通常缺乏對其最終形狀的控制。 Kopinski-Grünwald 解釋說：“這也是因為這樣的干細胞團塊會隨著時間的推移改變形狀并經(jīng)常收縮?！?/span>
維也納工業(yè)大學(xué)團隊的新穎方法據(jù)說可以通過專門開發(fā)的基于激光的高分辨率樹脂3D打印機來克服這一挑戰(zhàn)。雙光子聚合用于制造微觀球形支架結(jié)構(gòu)，其直徑僅為三分之一毫米，即333微米。
然后，研究小組將分化的干細胞添加到微型足球形狀的結(jié)構(gòu)中。這些細胞不能再發(fā)育成任何類型的組織，而是被指示形成特定類型的組織，在本例中是軟骨。
一旦添加到3D打印支架中，細胞就會迅速填滿這個小體積。維也納工業(yè)大學(xué)3D打印和生物制造研究小組負責(zé)人Aleksandr Ovsianikov教授表示，這使得該團隊能夠可靠地生產(chǎn)具有均勻分布和高密度細胞結(jié)構(gòu)的組織元件。
3D打印的細胞支撐結(jié)構(gòu)最終形成緊湊的構(gòu)建塊，然后可以組裝成任何所需的形狀或幾何形狀。
當(dāng)組織成熟時，球形支架為整體結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定性。該支撐結(jié)構(gòu)采用可生物降解的塑料3D打印而成，然后在幾個月的時間內(nèi)溶解，留下最終形式的完整組織。
3D打印球體的特寫
雖然分化干細胞已用于各種醫(yī)療應(yīng)用，但使用軟骨細胞構(gòu)建更大的組織提出了挑戰(zhàn)。例如，軟骨組織細胞形成明顯的細胞外基質(zhì)。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)位于細胞之間，通常會阻止不同的細胞球體以所需的方式生長在一起。
維也納工業(yè)大學(xué)研究人員的過程成功地克服了這一障礙。據(jù)報道，該團隊是第一個將來自不同球體的細胞組合成均勻、同質(zhì)且完全封閉的軟骨組織的團隊。
“在顯微鏡下，您可以非常清楚地看到：相鄰的球體生長在一起，細胞從一個球體遷移到另一個球體，反之亦然，它們無縫連接并形成沒有任何空腔的封閉結(jié)構(gòu) - 與其他方法相比，到目前為止，相鄰細胞團之間仍保留可見的界面，”Kopinski-Grünwald 指出。
活細胞生長的球體可以組裝成幾乎任何形狀
這種方法利用高分辨率SLA 3D打印，用生物相容性和可降解塑料生產(chǎn)微小的多孔球體。然后，這些3D打印的足球形狀的支架或球體被干細胞定植并排列成特定的幾何形狀。
研究小組希望其發(fā)現(xiàn)將為制造人造組織以替代醫(yī)療手術(shù)中受損的軟骨開辟新的可能性。
新方法不僅限于軟骨組織，還可以用于定制不同種類的較大組織，例如骨組織。在研究人員將3D打印方法擴展到更復(fù)雜的醫(yī)療應(yīng)用之前，需要克服一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)，例如將血管納入更大的3D打印組織中。
研究作者Oliver Kopinski-Grünwald表示：“最初的目標(biāo)是生產(chǎn)小塊定制的軟骨組織，可以在受傷后插入現(xiàn)有的軟骨材料中?！?/span>
“無論如何，我們現(xiàn)在已經(jīng)能夠證明，我們使用球形微支架生產(chǎn)軟骨組織的方法原則上是有效的，并且比其他技術(shù)具有決定性的優(yōu)勢?！?/span>
3D打印的球體，充滿活細胞
使用3D打印細胞支架制造軟骨組織
Kopinski-Grünwald表示，利用干細胞培養(yǎng)軟骨組織時面臨的主要挑戰(zhàn)是通常缺乏對其最終形狀的控制。 Kopinski-Grünwald 解釋說：“這也是因為這樣的干細胞團塊會隨著時間的推移改變形狀并經(jīng)常收縮?！?/span>
維也納工業(yè)大學(xué)團隊的新穎方法據(jù)說可以通過專門開發(fā)的基于激光的高分辨率樹脂3D打印機來克服這一挑戰(zhàn)。雙光子聚合用于制造微觀球形支架結(jié)構(gòu)，其直徑僅為三分之一毫米，即333微米。
然后，研究小組將分化的干細胞添加到微型足球形狀的結(jié)構(gòu)中。這些細胞不能再發(fā)育成任何類型的組織，而是被指示形成特定類型的組織，在本例中是軟骨。
一旦添加到3D打印支架中，細胞就會迅速填滿這個小體積。維也納工業(yè)大學(xué)3D打印和生物制造研究小組負責(zé)人Aleksandr Ovsianikov教授表示，這使得該團隊能夠可靠地生產(chǎn)具有均勻分布和高密度細胞結(jié)構(gòu)的組織元件。
3D打印的細胞支撐結(jié)構(gòu)最終形成緊湊的構(gòu)建塊，然后可以組裝成任何所需的形狀或幾何形狀。
當(dāng)組織成熟時，球形支架為整體結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定性。該支撐結(jié)構(gòu)采用可生物降解的塑料3D打印而成，然后在幾個月的時間內(nèi)溶解，留下最終形式的完整組織。
3D打印球體的特寫
雖然分化干細胞已用于各種醫(yī)療應(yīng)用，但使用軟骨細胞構(gòu)建更大的組織提出了挑戰(zhàn)。例如，軟骨組織細胞形成明顯的細胞外基質(zhì)。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)位于細胞之間，通常會阻止不同的細胞球體以所需的方式生長在一起。
維也納工業(yè)大學(xué)研究人員的過程成功地克服了這一障礙。據(jù)報道，該團隊是第一個將來自不同球體的細胞組合成均勻、同質(zhì)且完全封閉的軟骨組織的團隊。
“在顯微鏡下，您可以非常清楚地看到：相鄰的球體生長在一起，細胞從一個球體遷移到另一個球體，反之亦然，它們無縫連接并形成沒有任何空腔的封閉結(jié)構(gòu) - 與其他方法相比，到目前為止，相鄰細胞團之間仍保留可見的界面，”Kopinski-Grünwald 指出。
活細胞生長的球體可以組裝成幾乎任何形狀