用于软骨修复的手持式原位生物3D打印装置

来源： EngineeringForLife  

骨关节炎在发达国家中是仅次于心血管疾病的最常见致残原因，由于骨关节炎早期的生理症状通常不易被发现且不能自我修复，因此目前还没有一种临床策略能够实时地修复透明软骨。生物打印方法的主要优点是能够根据缺损或特定病变的解剖结构量身定做植入物，然而软骨损伤修复手术前可能无法准确地知道要填充的最终缺损的大小和形状，从而需要一种非外部构建替代组织，而是直接构建在伤口上或伤口内的打印策略。

来自澳大利亚卧龙岗大学智能聚合物研究所的Gordon GWallace团队在Biofabrication杂志上发表的“Development of the Biopen: a handheld device for surgical printing of adipose stem cells at a chondral wound site”文章中，研究人员开发了一种称为“Biopen”的适用于手术室中的手持式原位生物打印装置，该装置能够以直接写入的方式打印活细胞和GelMA/HAMA生物墨水。相比于机器人操作的生物打印机相比，该制造方法具有可手动使用、结构小巧灵活便于无菌操作及具有很好的生物相容性等优点，非常适合应用于软骨修复的临床操作中。

首先，研究人员研制了一种手持式原位生物打印装置，如图1所示。该装置由一个生物墨水墨盒、一个金属打印喷嘴和一个365nm UV光源组成，生物墨水墨盒内含有左右两个墨水室。研究人员通过气压挤出单独控制每个墨水室材料的挤出，通过UV光源实现打印材料的光固化。

图1 手持式原位生物打印装置的设计

接下来研究人员通过对GelMA/HAMA水凝胶的材料性能进行测试，包括其流变学的剪切变稀测试及温度扫描测试（图2）和原位UV光固化测试（图3），从而进一步确定打印参数。需要注意的是，往GelMA中添加HAMA可以增加水凝胶的黏度，从而提高生物墨水的可打印性，且在GelMA水凝胶中添加HAMA有助于提高组织工程软骨结构的机械性能。

图2 流变学测试

图3 UV光固化测试

其次，研究人员对手持式原位生物打印装置的打印成型性进行了分析，包括打印速度的稳定性（图4）以及挤出成丝（图5）和二维图案打印（图6）的清晰度。

图4 打印速度稳定性实验

图5 GelMa/HAMa水凝胶挤出成丝

图6 使用GelMA/HAMA生物墨水打印二维图案（A手写，B直写）

最后，研究人员通过打印包裹着人类脂肪干细胞的GelMA/HAMA生物墨水来验证其打印后的生物相容性。经体外实验表明，人脂肪干细胞在GelMA/HAMA水凝胶中打印一周后仍能保持较高的活性(>97%)。

总的来说，该研究开发了一种提出了一种名为“Biopen”的手持式原位生物打印工具，该工具能够以手动或直写的方式打印适用于软骨修复的GelMA/HAMA水凝胶。该研究中的手持式原位生物打印工具不仅为3D生物打印在软骨、皮肤和骨骼组织再生领域手术过程中的应用提供了一种新的可能。从长远来看，将手持式原位生物打印应用于临床之中除了技术方面的考量之外还有伦理与监管的考验。虽然可能面对很多的问题，但将手持式原位生物打印技术应用于临床之中会对组织器官修复再生领域起到重大的推动作用。

论文链接：
https://iopscience.iop.org/artic ... 090/8/1/015019/meta