荷兰研究人员开发生物3D打印活体组织来治疗关节炎

2018年7月4日，南极熊从外媒获悉，荷兰乌得勒支大学医学中心（UMC）的研究人员正致力于研究生物3D打印组织，并将其植入受关节炎影响的活关节内，来治疗关节炎。

关节炎是关节的炎症，它可以影响一个关节或多个关节。 每10万人中就有41人每年被诊断出患有关节炎。 关节炎会引起不适和疼痛，使日常工作变得困难。


作为3-D-JOINT的项目的一部分，荷兰UMC Utrecht的Jos Malda教授和他的团队正在开发生物3D打印的组织，这些组织可以被植入活体关节中以替换受损部位，并最终会成熟为与原始健康软骨相同的组织。


虽然可以根据精确的设计3D打印干细胞，但这并不意味着它们可以立即转化为新的器官或身体部位。

“3D打印不是生物制造的最后一步，因为以心形打印的东西并不能成为一颗心，”马尔达教授说。 “打印的构造需要时间和正确的化学和生理变化才能成为功能性组织。”

△Jos Malda教授

一个挑战是保持细胞材料的正确条件。因为生物墨水含有活细胞，所以它不够坚固，无法在打印后保持形状。科学家们不得不开发新的解决方案，一种选择是使用水凝胶（一种由大分子网络组成的材料）。

“对于生物打印，材料必须能够使细胞保持活力，”马尔达教授解释说。 “这需要在相对较低的温度下进行水性条件和加工，这使得水凝胶基材料成为理想的选择。”

但水凝胶足够柔软以传递细胞，它们无法承受某些组织在体内经受的机械负荷。为了解决这个问题，Malda教授和他的团队一直在试验3D打印材料，这些材料可以使水凝胶足够强大，起到替代软骨的作用。

“加强水凝胶使其更加坚固 - 就像钢棒与软水泥结合，形成钢筋混凝土，成为我们家园的基础，”Malda教授说。

他的团队正在使用一种名为熔融电解的3D打印技术，它将熔融的聚己内酯与电场结合在一起，形成与头发一样薄的纤维。使用这些微纤维，该团队创建了与含细胞水凝胶结合的结构，已经取得了良好的效果。

“水凝胶与纤维的结合起协同作用，使复合物的强度增加50倍以上，同时仍允许细胞产生细胞外基质并成熟为软骨样组织，”Malda教授说。

他的团队正在努力扩大该过程以创建更大的构造，同时将不同的材料整合在一起，用于组合骨和软骨组织替代品。除了作为软骨和骨骼丢失的替代品之外，以这种方式打印的细胞还可以帮助身体修复受损组织。

爱尔兰都柏林三一学院的Daniel Kelly教授正在开展一个名为JointPrinting的项目，以开发这样一个系统。

“文献中相对较少的例子证明了生物打印组织在适当的临床前（动物）模型中实际再生受损组织的能力，”凯利教授说。

他正致力于开发不仅可打印，而且通过改变支持和包围细胞的分子来刺激干细胞，制造新软骨的生物芯片，指导它们产生正确类型的组织。目标是这些新打印的干细胞在植入体内后可以帮助修复受损组织。

该团队还致力于使用生长因子的物质来刺激受损组织中新血管的形成。 “我们有时将VEGF（血管内皮生长因子）纳入我们的生物打印组织......以促进新骨血管在受损骨骼或关节区域形成，我们希望骨骼生长，”他说。

“我们将VEGF的梯度引入生物打印的组织中，这些组织将宿主血管（形成）引入我们植入物的适当区域。”

虽然科学家们专注于软骨和骨骼，但对关节的要求可能会根据它们在体内的位置而有很大差异。

Kelly教授使用专门的机械测试机器来确定它们的刚度和弹性，以及计算模型，以更好地了解植入物的结构和组成如何在特定环境中调整。

“我认为生物打印将有两个主要应用。首先，作为再生医学中新组织和器官的来源。其次，作为更好地了解人类疾病和测试针对此类疾病的新药的安全性和有效性的工具，”Kelly教授说。


编译自：3ders