在論文《用于軟骨再生的3D打印電紡纖維支架》中，中國(guó)研究人員試圖改進(jìn)在生物打印中創(chuàng)造更好材料和定制幾何形狀的工藝。為此，他們不僅采用3D打印，而且還采用冷凍干燥工藝來制造由電紡纖維制成的墨水。
生物打印的挑戰(zhàn)很大程度上在于保持細(xì)胞存活——在大多數(shù)情況下，這些細(xì)胞需要一種結(jié)構(gòu)來提供生存的穩(wěn)定性，無論是在體內(nèi)還是在實(shí)驗(yàn)室中。對(duì)于參與組織工程的科學(xué)家來說，關(guān)鍵是盡可能地模擬細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)。最近的發(fā)展趨勢(shì)包括使用纖維網(wǎng)絡(luò)制造支架，而靜電紡絲則提供了一種成功的制造模式。
各種電紡纖維支架的原理圖。(A)傳統(tǒng)纖維支架——電紡纖維膜。(B)3D纖維支架，由分散的電紡纖維經(jīng)冷凍成型而成。(C)3D打印纖維支架的合成步驟。
然而，由于靜電紡絲過程中產(chǎn)生的纖維通常會(huì)導(dǎo)致孔尺寸不足和厚度低于“塊狀支架”的2D膜，因此也會(huì)出現(xiàn)挑戰(zhàn)。這些障礙并沒有阻止研究人員進(jìn)行生物打印，正如本研究的作者一樣，這些障礙已經(jīng)引起了人們對(duì)進(jìn)一步探索的關(guān)注。
過去的研究包括多種不同的技術(shù)，如多層次、液體輔助收集和模板輔助收集。盡管如此，他們還沒有在尺寸良好的3D打印復(fù)雜腳手架上取得成功。作者進(jìn)一步研究了理論，同時(shí)也概述了如何利用智纖維單纖維結(jié)構(gòu)，更有效的粘合和擠出技術(shù)以及機(jī)械性能的改進(jìn)來應(yīng)對(duì)以往的挑戰(zhàn)。然后，他們進(jìn)行了以下試驗(yàn)：
·靜電紡絲、脫水、均質(zhì)化和蒸發(fā)干燥，將纖維轉(zhuǎn)化為短的單纖維粉末。
·將纖維粉末、透明質(zhì)酸(HA)溶液和聚氧化乙烯(PEO)溶液混合制成3D打印墨水。
·凍凍干燥和交聯(lián)
隨后，研究小組評(píng)估了軟骨的機(jī)械性能、孔隙大小和形態(tài)，并在體外和體內(nèi)檢查了軟骨再生模型。最終，研究人員發(fā)現(xiàn)他們的技術(shù)是成功的，結(jié)果是產(chǎn)生準(zhǔn)確性、大孔隙、和良好的機(jī)械性能。這項(xiàng)研究還表明，他們能夠創(chuàng)造以下情況：
·適宜的ECM仿生表面；
·彈性；
·水誘導(dǎo)形狀記憶；
·良好的體內(nèi)軟骨再生；
與以前的研究相比，干蒸發(fā)技術(shù)在這里取得了更大的成功，并且也增加了交聯(lián)后的HA和PEO水溶液。在他們的研究樣品中，3DP與纖維凝膠支架和非纖維凝膠/PLGA支架相比具有更好的機(jī)械強(qiáng)度。
“此外，進(jìn)一步證實(shí)，基于非纖維的3D打印支架的機(jī)械強(qiáng)度很低，這不適合于組織再生。然而，基于復(fù)合纖維油墨的打印支架具有良好的機(jī)械性能。一般來說，復(fù)合油墨(天然和合成聚合物)是用不同的原理和方法打印的，即天然聚合物主要基于凝膠或油墨打印，而合成聚合物則主要通過熔融沉積模型打印。因此，打印基于天然和合成聚合物的復(fù)合支架通常需要多個(gè)噴嘴，每個(gè)噴嘴在加工過程中都要精確地對(duì)齊。”研究人員解釋說。
電紡纖維、分散纖維和3D打印支架。(A)電紡明膠/PLGA纖維和(B)分散纖維的SEM圖像。(C)不同溫度(25°C、160°C和180°C)處理纖維膜的不同分散纖維的平均長(zhǎng)度(*p<0.05，n=3)。(D)分散纖維粉末的圖像。(E)圖像顯示由纖維(180°C處理)、HA溶液和PEO溶液組成的油墨，可從針頭中擠出。(F)3D打印長(zhǎng)方體支架。
他們繼續(xù)努力克服在創(chuàng)造強(qiáng)大的、可行的結(jié)構(gòu)方面的局限性，在纖維中加入明膠和聚乳酸(PLGA)——在室溫、單噴嘴、一步成型的過程中制造出一種機(jī)械均勻的復(fù)合支架。
“在3DP組中，再生軟骨(如混凝土)和支架鏈(如鋼筋)在整個(gè)樣本中被均勻整合，因此，再生軟骨有效地增強(qiáng)了樣品的機(jī)械強(qiáng)度，保持了原來的形狀。”研究人員對(duì)3DP組進(jìn)行了總結(jié)。
“由于纖維基復(fù)合油墨，3DP在潮濕狀態(tài)下表現(xiàn)出良好的彈性，這明顯優(yōu)于用非纖維粉末制作的3D打印支架。最重要的是，新型支架與軟骨細(xì)胞結(jié)合，在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了令人滿意的軟骨再生和形狀維持。這項(xiàng)研究為多個(gè)仿生支架的設(shè)計(jì)和制造提供了研究模型。”
生物打印、支架和各種不同結(jié)構(gòu)的使用是當(dāng)今3D打印研究中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，隨著科學(xué)家們?cè)絹碓浇咏軌蛑圃斐鲞m合和可持續(xù)的、可移植的人體器官的最終目標(biāo)。
3DP、3DF和DCM的顯微結(jié)構(gòu)。(a-c)不同孔結(jié)構(gòu)的3D打印支架的掃描電鏡圖像。(d，g)不同放大率下3DF的SEM圖像。(e，f，h)與(A)中的圖像對(duì)應(yīng)的不同放大倍數(shù)的3DP的SEM圖像。(1)DCM的掃描電鏡圖像。
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