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《奥地利维也纳工业大学将活细胞嵌入到3D打印的精细结构中，可实现超高速、超精细的生物打印》

  • 来源专题：中国科学院文献情报生命健康领域集成服务门户
  • 编译者： 李丹丹
  • 发布时间：2019-11-09

  • 10月21日消息，奥地利维也纳工业大学研究人员通过将活细胞嵌入到精细的3D打印结构中，可以精准地控制组织的生长行为。研究人员采用分辨率极高的双光子聚合技术，可在细胞友好型的“生物墨水”中制备高精度的超精细结构。双光子聚合技术使用高能激光束，能够以每秒一米的超高速度进行打印。研究人员表示，该方法能够精确地控制3D支架的外观、软硬程度和降解时间等，为细胞适应环境提供了更多可能性，有望应用于疾病传播和干细胞等领域的研究。相关研究成果发表于《先进保健材料》期刊。

  • 原文来源：;https://www.docwirenews.com/docwire-pick/future-of-medicine-picks/using-living-cells-in-a-3d-printer-to-bioprint-tissue-structures/
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相关报告

  • 《3D打印新生物材料有助于骨骼修复再生》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-02-28
    • 骨组织工程(BTE)是材料科学和生物工程领域的一个新兴领域，研究人员致力于设计一种理想的仿生材料，优化当前的骨骼辅助修复手段。尽管目前还没有实验成果能从实验台上转移到临床领域，但在结合了各类尖端技术的研究中，已经出现不少令业内人士兴奋的新方法。从实验室的生物制造过程来看，细胞、蛋白质、生物成分和生物材料的相互作用，可以实现工业化规模的再生医学材料制造。 德累斯顿大学(TU Dresden)医学院转化骨、关节和软组织研究中心(Centre for Translational Bone，简称CBT)的研究人员在《生物制造》(Biofabrication)杂志上撰文指出，他们研发了一种磷酸钙接合剂配方，通过将活的生物细胞封装在3D打印BTE材料的生物墨水中，建立类似于基质的支架。研究人员最初提出的制造方案，主要方向是为细胞在糊状磷酸钙骨接合剂(CPC)中存活提供最佳条件，随后，他们又提出了一种用于骨发育和软骨发育的软骨组织移植模型。 制造仿生材料是高度复杂的工程，细胞和细胞外基质复杂的特性，使其天然难以使用现有技术再现。因此，组织工程的主要目标是，开发功能相似的结构和类似于组织或器官的生物/化学成分。由于生物矿化材料更适合设计骨骼模拟基质，格林斯基(Gelinsky)和他的同事们使用了一种多通道3D打印技术，将自定CPC与间充质干细胞生物墨水结合起来。这种含有人类细胞的生物墨水是用海藻酸酯甲基纤维素(alg/mc)混合制成的，由同组研究人员早前研发。 总的来说，新型生物材料包括可标绘CPC、载有细胞的生物墨水和纳米晶羟基磷灰石(HAp)，在3D打印生物支架生物淋溶器中通过多通道挤压，制成高刚度、骨状矿物结构的支架以支持细胞生长。为了了解材料化学特性对骨拟态程度的影响，研究人员分别测试了alg/mc和CPC支架的单相成分，以及CPC-alg/mc细胞负载支架的两相结合产物。 因为藻酸盐生物墨水中含有细胞，尤其是可以无限增长的间充质干细胞，它被认为可以用于大规模的生物打印和添加制造技术。为了制作支架材料，CPC和生物墨水都以3D打印的方式绘制在一个类似于细线的装配体中，形成了一个大孔的网状结构，为嵌入的细胞补充氧气和营养。 就目前而言，研究员们用立体光学显微镜和扫描电镜观察到的大孔结构，还只是实验状态下的简化版本，只是为了确定支架在细胞生长和组织再生方面的潜力。接下来，他们还要研究更合适的孔隙结构，以支持辅助体内骨再生的生物植入物。 3D打印的双相支架经受住了通用测试系统的张力和压缩机械测试，其支持细胞的能力也被细胞活力测试证明达标。由于本研究首次将CPC与alg/mc生物墨水两相结合，因此工程过程必须进行优化，以防止生物制造过程中的微裂纹，同时还需延续长期细胞相容性以保护嵌入细胞。 在第一天支架放置时，CPC-bioink表面局部会出现细胞损伤，几天后，当细胞开始向CPC链迁移进行增殖时，损伤会得到补偿。这种迁移可能是由CPC的微粗糙度和表面刚度介导的，这对细胞的生长很有吸引力。由于最初的细胞毒性是由pH值下降引起的，所以作者建议，设计生物油墨时，需要考虑抵抗/缓冲生物制造过程中的pH值变化。 在概念性方案中，作者推荐使用单相CPC构建软骨下骨，用alg/mc构建软骨成分，在表面分离出一种模拟钙化软骨的交织网状带，从而制造出一种用于BTE的3D打印生物原位骨软骨支架。这种支架可以在临床手术中构建，通过控制细胞播种，促进表面组织再生，为今后BTE的转化研究工作提供参考。
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  • 《3D生物打印新突破：细菌墨水可打印任何三维结构》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：huangcui
    • 发布时间：2017-12-05
    • 近年来，科学家一直在开发3D打印技术，随着3D打印制造人类器官的实现，几乎已经没有什么东西不能用它打印出来了。现在，研究人员开发出一种新型3D打印平台，通过使用细菌墨水，可以打印出任何三维结构。 1.加入细菌的“Flink” 由复合材料实验室的负责人André Studart教授领导的一组苏黎世联邦理工学院（ETH）研究人员开发出一种含有细菌的墨水，并将它命名为“Flink”，即“功能活性墨水”。研究成果发表在近期《Science Advances》杂志上。 墨水是由一种水凝胶和细菌混合构成。水凝胶本身是由透明质酸、长链糖分子和热解硅石构成的。细菌的培养基混合到墨水中，使其具有细菌生存的所有先决条件。使用这种凝胶作为基础，研究人员可以添加具有所需的“性能”的细菌，然后打印出他们喜欢的任何三维结构。 第一作者、Studart的小组成员Patrick Ruhs和Manuel Schaffne在他们的工作中使用了恶臭假单胞菌(putida)和木醋杆菌(Acetobacter xylinum)。前者是可分解化学工业大规模生产的有毒化学苯酚，后者则可以分泌高纯度的纳米纤维素。这种细菌纤维素可以缓解疼痛，保持水分，稳定性强，从而开辟了在烧伤治疗中的潜在的应用。 2.像牙膏一样粘稠 在开发墨水的过程中，水凝胶的流动特性提出了一个特殊的挑战：墨水必须足够流动，才能通过压力喷嘴。墨水的一致性也影响细菌的流动性，墨水越硬，细菌越难移动。然而，如果水凝胶太硬，则醋杆菌分泌的纤维素较少。与此同时，打印品必须足够坚固，以支撑后续层的重量。如它们太流体，就不可能打印出足够稳定的结构，因为它们会在重压之下坍塌。 Schaffner 总结墨水的关键，“墨水必须像牙膏一样粘稠，并具有护手霜的一致性。” 到目前为止，材料科学家还没有研究过印刷品里细菌的寿命。Ruhs说，“由于细菌对资源的需求非常少，所以我们认为它们能够在印刷品中存活很长一段时间。” 3.巨大的应用潜力 目前，这项研究仍处于初级阶段，Ruhs说，“使用细菌墨水打印具有巨大的潜力，大多数人只把细菌与疾病联系在一起，但是实际上如果没有细菌，我们是无法生存的。”研究人员相信他们的细菌墨水是完全安全的，因为使用的细菌都是无害且有益的。 除了医学和生物技术的应用，研究人员还设想了许多其他的潜在用途。例如，这种物质可用于研究降解过程或生物膜形成。一个实际应用可能是含有细菌的3D打印传感器，用于检测饮用水中的毒素。另一个想法是制造含有细菌的过滤器，用于灾难性的石油泄漏。 想要实现这些应用，首先需要克服3D生物打印时间慢、扩展性差的挑战。目前，木醋杆菌需要数天的时间才能产生用于生物医学应用的纤维素。科学家们相信，他们可以进一步优化和加速这个过程。
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