荷蘭研究人員開發(fā)生物3D打印活體組織來治療關(guān)節(jié)炎

2018年7月4日，南極熊從外媒獲悉，荷蘭烏得勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心（UMC）的研究人員正致力于研究生物3D打印組織，并將其植入受關(guān)節(jié)炎影響的活關(guān)節(jié)內(nèi)，來治療關(guān)節(jié)炎。

關(guān)節(jié)炎是關(guān)節(jié)的炎癥，它可以影響一個關(guān)節(jié)或多個關(guān)節(jié)。 每10萬人中就有41人每年被診斷出患有關(guān)節(jié)炎。 關(guān)節(jié)炎會引起不適和疼痛，使日常工作變得困難。


作為3-D-JOINT的項(xiàng)目的一部分，荷蘭UMC Utrecht的Jos Malda教授和他的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)生物3D打印的組織，這些組織可以被植入活體關(guān)節(jié)中以替換受損部位，并最終會成熟為與原始健康軟骨相同的組織。


雖然可以根據(jù)精確的設(shè)計3D打印干細(xì)胞，但這并不意味著它們可以立即轉(zhuǎn)化為新的器官或身體部位。

“3D打印不是生物制造的最后一步，因?yàn)橐孕男未蛴〉臇|西并不能成為一顆心，”馬爾達(dá)教授說。 “打印的構(gòu)造需要時間和正確的化學(xué)和生理變化才能成為功能性組織?！?br />

△Jos Malda教授

一個挑戰(zhàn)是保持細(xì)胞材料的正確條件。因?yàn)樯锬谢罴?xì)胞，所以它不夠堅(jiān)固，無法在打印后保持形狀。科學(xué)家們不得不開發(fā)新的解決方案，一種選擇是使用水凝膠（一種由大分子網(wǎng)絡(luò)組成的材料）。

“對于生物打印，材料必須能夠使細(xì)胞保持活力，”馬爾達(dá)教授解釋說。 “這需要在相對較低的溫度下進(jìn)行水性條件和加工，這使得水凝膠基材料成為理想的選擇?！?br />
但水凝膠足夠柔軟以傳遞細(xì)胞，它們無法承受某些組織在體內(nèi)經(jīng)受的機(jī)械負(fù)荷。為了解決這個問題，Malda教授和他的團(tuán)隊(duì)一直在試驗(yàn)3D打印材料，這些材料可以使水凝膠足夠強(qiáng)大，起到替代軟骨的作用。

“加強(qiáng)水凝膠使其更加堅(jiān)固 - 就像鋼棒與軟水泥結(jié)合，形成鋼筋混凝土，成為我們家園的基礎(chǔ)，”Malda教授說。

他的團(tuán)隊(duì)正在使用一種名為熔融電解的3D打印技術(shù)，它將熔融的聚己內(nèi)酯與電場結(jié)合在一起，形成與頭發(fā)一樣薄的纖維。使用這些微纖維，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了與含細(xì)胞水凝膠結(jié)合的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)取得了良好的效果。

“水凝膠與纖維的結(jié)合起協(xié)同作用，使復(fù)合物的強(qiáng)度增加50倍以上，同時仍允許細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)并成熟為軟骨樣組織，”Malda教授說。

他的團(tuán)隊(duì)正在努力擴(kuò)大該過程以創(chuàng)建更大的構(gòu)造，同時將不同的材料整合在一起，用于組合骨和軟骨組織替代品。除了作為軟骨和骨骼丟失的替代品之外，以這種方式打印的細(xì)胞還可以幫助身體修復(fù)受損組織。

愛爾蘭都柏林三一學(xué)院的Daniel Kelly教授正在開展一個名為JointPrinting的項(xiàng)目，以開發(fā)這樣一個系統(tǒng)。

“文獻(xiàn)中相對較少的例子證明了生物打印組織在適當(dāng)?shù)呐R床前（動物）模型中實(shí)際再生受損組織的能力，”凱利教授說。

他正致力于開發(fā)不僅可打印，而且通過改變支持和包圍細(xì)胞的分子來刺激干細(xì)胞，制造新軟骨的生物芯片，指導(dǎo)它們產(chǎn)生正確類型的組織。目標(biāo)是這些新打印的干細(xì)胞在植入體內(nèi)后可以幫助修復(fù)受損組織。

該團(tuán)隊(duì)還致力于使用生長因子的物質(zhì)來刺激受損組織中新血管的形成。 “我們有時將VEGF（血管內(nèi)皮生長因子）納入我們的生物打印組織......以促進(jìn)新骨血管在受損骨骼或關(guān)節(jié)區(qū)域形成，我們希望骨骼生長，”他說。

“我們將VEGF的梯度引入生物打印的組織中，這些組織將宿主血管（形成）引入我們植入物的適當(dāng)區(qū)域。”

雖然科學(xué)家們專注于軟骨和骨骼，但對關(guān)節(jié)的要求可能會根據(jù)它們在體內(nèi)的位置而有很大差異。

Kelly教授使用專門的機(jī)械測試機(jī)器來確定它們的剛度和彈性，以及計算模型，以更好地了解植入物的結(jié)構(gòu)和組成如何在特定環(huán)境中調(diào)整。

“我認(rèn)為生物打印將有兩個主要應(yīng)用。首先，作為再生醫(yī)學(xué)中新組織和器官的來源。其次，作為更好地了解人類疾病和測試針對此類疾病的新藥的安全性和有效性的工具，”Kelly教授說。


編譯自：3ders