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描述

一種新型墨水使生物工程師能夠在室溫下打印出含有活細(xì)胞的人造骨骼。

3D打印包括角膜、血管和皮膚在內(nèi)的活體組織絕非易事，畢竟這些都是活組織。相比之下，骨骼是一種高度結(jié)構(gòu)化的礦物基質(zhì)中的活性和無機(jī)化合物的混合物。

換言之，3D打印骨骼是挑戰(zhàn)中的挑戰(zhàn)。

這就是為什么生物工程師們嘗試了這么多不同的材料來制作他們的合成骨骼，包括水凝膠、熱塑性塑料和生物陶瓷。現(xiàn)在，澳大利亞悉尼新南威爾士大學(xué)的一個(gè)研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種陶瓷墨水，這種墨水可以在室溫下用活細(xì)胞進(jìn)行3D打印，使他們能夠打印出在一定時(shí)間內(nèi)硬化的骨狀結(jié)構(gòu)，這是比早期技術(shù)顯著的改進(jìn)。研究人員表示，這項(xiàng)新技術(shù)最終可能被用于將骨骼直接打印到患者體內(nèi)。

“與以前的材料不同，我們的技術(shù)提供了一種原位打印結(jié)構(gòu)的方法，可以模擬骨骼的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，”該研究的合著者，新南威爾士大學(xué)化學(xué)學(xué)院的生物工程師Iman Roohani如此表示。“機(jī)會(huì)是無限的。”在最近發(fā)表在《高級(jí)功能材料》上的一篇研究論文中，研究人員描述了他們?nèi)绾卧诰哂谢罴?xì)胞的微凝膠基質(zhì)中開發(fā)特殊墨水。

3D打印骨組織在醫(yī)學(xué)和研究方面有著豐富的應(yīng)用：模擬骨骼疾病；藥物篩選；研究骨骼獨(dú)特的微環(huán)境；也許最顯著的是，在創(chuàng)傷、癌癥或其他疾病中修復(fù)受損的骨骼。目前修復(fù)骨的金標(biāo)準(zhǔn)是自體骨移植，從患者身體的另一部分獲取骨。不幸的是，自體移植物與高感染率有關(guān)，如果所需的骨材料太多，就不起作用。

為了創(chuàng)造一種盡可能類似于自體移植的合成骨材料，新南威爾士大學(xué)的生物化學(xué)家Kristopher Kilian和同事們制造了一種墨水，這種墨水可以3D打印到人體這樣的水環(huán)境中。經(jīng)過兩年的提煉，他們創(chuàng)造了一種生物相容性磷酸鈣材料，在室溫下形成糊狀物。當(dāng)放入明膠浴或其他溶液中時(shí)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，糊狀物硬化成多孔納米晶體基質(zhì)，類似于天然骨組織的結(jié)構(gòu)。

為了用墨水打印，他們配備了一臺(tái)現(xiàn)成的3D打印機(jī)，Hyrel 3D Engine HR，帶有一個(gè)定制的噴嘴，0.2-0.8毫米的小針頭可將墨水?dāng)D在37℃的明膠浴中。Roohani說，這種技術(shù)被稱為細(xì)胞懸浮液中的陶瓷全向生物打印（COBICS），能夠打印出在一定時(shí)間內(nèi)硬化的骨狀結(jié)構(gòu)，且可以應(yīng)用于其他3D打印機(jī)，如便攜式和手持式打印機(jī)。

在他們最近的論文中，研究小組在含有人類成骨細(xì)胞和其他類型的人類細(xì)胞的明膠浴中打印出了小的骨骼結(jié)構(gòu)，高達(dá)半厘米的立方。硬化墨水將活細(xì)胞整合到結(jié)構(gòu)中，打印后細(xì)胞粘附增殖數(shù)周，存活率達(dá)95%。

研究小組目前正在設(shè)計(jì)一種可以打印更大樣本的浴池，并已開始進(jìn)行小動(dòng)物試驗(yàn)，以確定打印能否像自體移植物一樣有效地修復(fù)大傷口。接下來，Roohani希望與外科醫(yī)生、牙醫(yī)和其他人合作，探索COBICS的醫(yī)療保健和研究應(yīng)用，并尋求獲得監(jiān)管部門批準(zhǔn)的途徑。在美國，F(xiàn)DA已經(jīng)表示3D打印骨骼技術(shù)有資格獲得FDA的批準(zhǔn)。