賓夕法尼亞州立大學的研究人員開發了一種生物3D打印工藝，該工藝能夠同時打印硬組織和軟組織，以修復皮膚和骨骼的損傷。使用兩個專門設計的生物墨水和生物打印工藝，該團隊能夠在一個步驟中在幾分鐘內修復大鼠模型的頭骨和皮膚上的孔。研究人員的目標是最終將他們的研究成果轉化為人類應用，以實現更快，更有效的皮膚和骨骼愈合方法。
“這項工作具有臨床意義，”賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學，生物醫學工程與神經外科工程學和力學的副教授Ibrahim T. Ozbolat說：“處理復合缺陷，一次固定硬組織和軟組織是困難的。對于顱面區域，結果必須在美學上令人愉悅。沒有一種手術方法可以一次修復軟組織和硬組織。這就是為什么我們試圖證明一種技術，以便我們一次可以重建整個缺陷-骨到表皮。”
修復皮膚和骨骼受傷
由于涉及的不同類型組織的多層，修復面部和顱骨的皮膚和骨骼的創傷非常具有挑戰性。當前的方法包括使用患者身體另一部分的骨頭，該骨頭必須覆蓋在軟組織中，并且血液也要從其他地方采集，然后分別修復軟組織和皮膚。近年來，用于再生醫學和組織工程的3D打印生物結構越來越受到關注。正在為這些應用不斷開發新的生物墨水，并將3D打印與生物材料工程和干細胞生物學等技術相結合，以創建更廣泛的可定制骨移植材料。
例如，僅在過去的一年中，研究人員就研究了3D打印的樂高式“骨頭磚”如何治愈破碎的骨骼組織，3D生物打印的納米復合材料支架可以促進骨形成的方式以及3D打印的包含活細胞的陶瓷結構如何在骨組織工程應用中具有潛在用途。關于軟組織，已經出現了3D打印的產生T細胞的水凝膠，3D生物打印的定制化鼻軟骨以用于術后面部變形的患者，以及支持長期細胞存活的3D打印的水凝膠。然而，根據賓夕法尼亞州立大學的研究人員，尚未實現同時對軟組織和硬組織進行3D打印的方法，這促使他們進行了實驗。
KAUST的3D打印水凝膠可支持長期細胞存活，并具有再生醫學應用的潛力。圖片來自KAUST。
對硬組織和軟組織進行生物打印
為了解決上述挑戰，Ozbolat和他的團隊使用了擠壓和液滴生物打印技術的組合來沉積細胞和載體材料的混合物，以產生骨骼和軟組織，用于修復大鼠模型的顱骨損傷。研究人員首先關注骨骼修復的元素。他們開發了一種由膠原蛋白，殼聚糖，納米羥基磷灰石和間充質干細胞組成的“硬組織墨水”，它們是在骨髓中發現的能產生骨骼，軟骨和骨髓脂肪的多能細胞。骨骼在室溫下擠出，一旦施加后加熱至體溫，以刺激膠原蛋白和墨水其他部分的交聯。這消除了添加交聯劑的化學變化的需要。
為了制造軟組織，研究人員使用液滴3D打印技術在具有交聯和生長促進化合物的交替層中沉積膠原蛋白和纖維蛋白原。印刷的軟組織層在成分上有所不同，以反映皮膚層的變化。
該團隊進行了實驗，分別使用每種技術修復直徑為6mm的孔。一旦證明成功，他們便開始在同一手術過程中修復硬組織和軟組織。Ozbolat說：“這種方法是一個極富挑戰性的過程，實際上，我們花了大量時間來尋找適合骨骼，皮膚和正確的生物打印技術的材料。”
皮膚和骨骼生物打印過程的示意圖。圖片來自賓夕法尼亞州立大學Ozbolat實驗室。
同時進行生物打印
首先，團隊進行了成像處理，以精確確定缺陷的幾何形狀。然后對骨骼層進行3D打印，在其上沉積模仿骨膜的屏障層-圍繞顱骨的血管化組織層-以防止皮膚層細胞遷移到骨骼區域并在那里生長。接下來，研究人員以3D方式打印模仿皮膚的真皮和表皮的軟組織層。根據Ozbolat的說法，不到3分鐘即可將骨骼層和軟組織3D打印在一起。
在整個實驗過程中，研究人員進行了50多次缺損閉合，并在4周內實現了100％的軟組織閉合。六周內，骨組織的閉合率為80％。值得注意的是，據中國3D打印網了解，即使采用更傳統的收獲式骨替代方法，骨閉合在6周內也很少達到100％。
該項目的下一步是添加血管化化合物，以增加流向骨骼的血液。最終，該小組希望將他們的研究成果轉化為人類應用，目前正在賓夕法尼亞州荷西醫學中心與神經外科醫師，顱頜面外科醫師和整形外科醫師合作，使用更大的生物打印設備來進行測試。
來源：中國3D打印網
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