研究

科学家使用机器人学直接调查身体内的3D打印组织

一组来自Terasaki生物医学创新研究所,俄亥俄州州立大学宾夕法尼亚州立大学已经开发出一种特殊配方的生物墨水,用于直接在体内3D生物打印组织。

该团队致力于该项目,以克服体外组织工程程序的缺点,这给患者带来了增加的风险,具有植入后进一步的并发症。

进一步调用Westworld-like图像研究人员建议,构建组织的生物墨水配方可以通过机器人3D打印技术直接应用于人体本身。该团队解释说,生物墨水和3D打印技术的潜在应用在于生物功能疝修补网,改善卵巢功能,3D打印用于恢复组织/器官功能的复杂细胞负载支架,以及运载药物或生长因子栓系生物材料。

该研究的作者Ali Khademhosseini评论说:“开发能够治疗各种损伤和疾病的个性化组织对医学的未来非常重要。”

“这项工作解决了制造这些组织的一个重要挑战,因为它使我们能够在手术室内直接将正确的细胞和材料输送到缺陷处。”

直接植入软组织的组织的三维点阵结构的图像。照片来自寺崎研究所。
直接植入软组织的组织的三维点阵结构的图像。照片来自寺崎研究所。

3D打印中的组织工程方法

研究人员首先解释了组织工程的当前范式,这些范式在制造身体外的制造生物材料支架的中心,然后通过开放的手术植入。

随着3D打印在医学和外科手术过程中发挥越来越大的作用,这种体外条件也适用于3D打印在医疗领域的不同方式。例如,3D打印已经被用于生产身体的部分,例如骨科关节假肢,在制造它们后连接到身体。许多例子突出了3D打印带来矫形手术的优势;去年,佛罗里达州圣彼得堡的钢铁工人罗伯特史密斯成为第一个收到的人3D印刷手指骨植入物在美国,操作将过于复杂。

3D打印手指植入的x光片。图片来自福克斯13频道。
3D打印手指植入的x光片。图片来自福克斯13频道。

根据Terasaki Institute,3D印刷还可用于生产和恢复骨骼,皮肤和血管部分的部分,这些骨骼和血管通常在身体外部的装置中产生外科手术植入

然而,手术植入的体外方法往往涉及较大的手术切口,增加了感染的风险,增加了患者的恢复时间。此外,在组织形成和植入患者体内之间有一段时间间隔,这可能导致进一步的并发症发生。为了防止这些并发症,研究小组试图开发一种直接在体内打印组织的3D技术。

3D打印活体组织

为了生产工程化组织,需要两个基本部件:一种生物链,由与活细胞混合的骨架材料,以及帮助细胞生长和发展到再生组织中的生长因子。

开发用于直接植入人体的组织需要进一步的考虑,包括在体温(37°C)下构建组织,以及确定一种有效地将组织粘附到柔软、活的器官组织上的方法。此外,任何操作步骤都不应该对患者有害,然而,目前方法中一个有害的步骤是使用有害的紫外线固化构建的组织。该研究的第一作者Ali Asghari解释说:“这种生物墨水配方在生理温度下可以3D打印,并且可以使用体内的可见光安全地交联。”

相反,为了构建组织,研究人员确定使用机器人3D打印,它利用机器人机械与喷嘴连接。然后,生物墨水可以通过喷嘴以高度精确、可编程的方式喷射出来。

体内组织工程的概念。照片通过生物制作。

为了测试3D打印技术和生物墨水,研究人员研究了将生物墨水形成的组织碎片附着到柔软表面的方法。这些实验包括使用机器人3D打印机和特殊配方的生物墨水将组织结构附着在生鸡肉条上,同时还开发了一种新型的连锁机制。

研究团队改进了喷嘴尖端,使其能够穿透原始的鸡肉软面,并在其退出时用生物墨水填充刺破的空间。这有助于建立组织构建体的锚。当喷嘴尖端到达表面时,它将另外的生物墨水分配到锚定的“锁定”。“互锁机构使得支架的附着能够在患者体内的软组织基板上更强,”Asghari Adib评论。

本文的结论是,一种能够在与生理相关的安全条件下3D打印的生物材料是通过直接书写3D打印实现体内组织工程的必要组成部分。“在这项研究中,通过在GelMA中引入流变改性剂,我们开发了一种配方,可在37°C下3D打印成复杂形状,并可使用安全的可见光交联系统进行原位交联。”

组织工程的这些进展有助于为组织修复程序提供低风险、微创的腹腔镜选择。这将提高患者的安全性,节省时间,更具成本效益。组织工程设计的进一步修改和其他条件的调整可能增加定制的潜力。

纸”,基于凝胶基生物材料的直接写3D打印和表征体外组织工程由Ali Khademhosseini博士、David J Hoelzle博士、Amir Sheikhi博士、Melika shahohosseini博士、Andrej Simeunovic博士、Wu帅、Carlos Castro博士和Ruike Zhao博士撰写生物制作

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