WSU科学家在新型可定制的3D生物打印材料方面取得进展

2021年5月19日，南极熊获悉，华盛顿州立大学（WSU）机械与材料工程学院的一个研究小组开发了一种新型的、可定制的3D生物打印材料，旨在更好地模仿天然组织的结构。

这种支架材料具有可定制的机械性能，能够在各种环境下更好地促进的自然细胞生长，为科学家提供了一种更可靠的定制组织制造途径。这项研究的负责人Arda Gozen教授表示这种材料作为一种易于打印的生物墨水有着光明的前景。他认为，在未来医生很可能只需要按下一个按钮，就能用这种材料生物打印出一个支架，并按照需求为病人生产出可替代的皮肤、软骨以及其他生物结构。

Gozen解释说道：“这种生物打印方法能否在制造功能组织方面获得成功，很大程度上要取决于制造的结构对本体组织的模仿程度。如果你想让细胞生长并将其变成功能性组织，你需要与本体组织所处的机械环境相匹配。“

△ArdaGozen教授在生物打印实验室。照片来自WSU

3D生物打印的艺术

3D生物打印的最终目标是要制造整个替代器官，这将会是一个里程碑式的跨越，将很大程度上消减移植所需的等待时间，并为全世界的医疗健康系统减轻巨大的负担。目前，3D生物打印技术只能够生产简单的组织样本，即生物材料被一层层地沉积到支架上，然后为细胞的生长提供一个培育的环境。

不幸的是，生物的进化过程要远比我们目前的高精度微沉积系统要复杂得多，这意味着真正的生物细胞往往很难在人造的支架上生长。例如，皮肤细胞喜欢在感觉像真实皮肤的支架上生长，而肌肉细胞喜欢在感觉像真实肌肉的支架上生长。

3D生物打印的艺术主要在于欺骗到这些生物细胞，使其认为自己被真实的东西所包围。研究人员对他们的支架进行微调的一个经典案例是通过添加或移除支架，从而增加或减少结构的刚度。虽然这种方法相对简单，但它并不能完全提供最终使用的组织工程所需的灵活性。

Gozen补充说："在打印过程中，我们没有太多的方向可以转动，但事实是你需要更多的自由度，以图在不改变结构的情况下创造出更软或更硬的东西。"

△使用新型材料3D打印的一组支架。照片来自WSU

可兼容的3D生物墨水

为了满足生物相容性的需要，华盛顿大学的团队开发了一种具有可定制机械性能的新型生物墨水。这种生物墨水由明胶、阿拉伯胶和海藻酸钠制造，它结合了三个化学过程，将三种成分 "绑 "在一起，几乎像一条编织绳。调整独立的化学过程使得科学家们能够对最终支架的硬度进行微调，而不必通过支架来改变几何形状设计。Gozen也认为这能够在不改变支架设计的情况下调整性能，并提供我们所寻求的额外自由度。

虽然这项工作仍处于早期阶段，但Gozen的团队已经用这种材料来3D打印鼻软骨支架。模拟天然组织的复杂性仍然是一个挑战，但随着打印参数或成分组成的变化，该团队相信它最终可以为更大规模的组织工程应用制造出可用的支架结构。

Gozen总结说：“你在这里不是在组装乐高积木，因为这毕竟是要复制出能够在人体中发挥作用的类天然组织结构。尽管你可以制造出活体结构，但它们看起来与原生组织完全不同。精确度是关键，因为单体组织实现不了特定的机械性能。“

△一个3D打印的鼻子支架。照片来自WSU

与此类似，宾夕法尼亚州立大学的研究人员此前开发了一种3D生物打印工艺，能够同时打印硬组织和软组织，以修复皮肤和骨骼损伤。使用两种专门设计的生物汇和生物打印工艺，该团队能够在几分钟内通过一次手术修复老鼠模型的头骨和皮肤上的洞。

此外，阿卜杜拉国王科技大学的科学家最近也开发了一种基于超短肽的3D打印水凝胶支架的新方法，这个团队是使用短的氨基酸链来配制用于组织工程的生物墨水。

有关该研究的更多具体细节可以在题为 " 3D printed,mechanically tunable, composite sodium alginate, gelatin and Gum Arabic(SA-GEL-GA) scaffolds"的论文中看到。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405886621000063