論文：用于3D生物打印骨組織的納米骨誘導生物墨水

德克薩斯農工大學生物醫(yī)學工程系的科學家們，正在開發(fā)新型的生物墨水材料，以推動3D生物打印功能性骨組織的發(fā)展。

2020年5月27日，南極熊從外媒獲悉，該校副教授Akhilesh K. Gaharwar博士創(chuàng)造了一種可3D打印的生物墨水，可作為解剖學功能組織。Gaharwar的研究小組開發(fā)的新材料被稱為納米離子共價糾纏生物墨水(Nanoengineered Ionic-Covalent Entanglement (NICE)bioink)，其設計目的是為了克服目前生物墨水在結構穩(wěn)定性方面的不足。在談到NICE生物墨水的好處時，Gaharwar表示："3D生物打印的下一個里程碑是功能組織。我們的研究表明，在我們實驗室開發(fā)的生物墨水可以用于工程化三維功能骨組織。"

△3D生物打印的NICE支架可用于骨再生，照片來自德克薩斯農工大學工程學院

生物打印骨組織

Gaharwar表示，該技術的一個特別有用的應用是在患者特異性骨移植中，這是一種替代缺失的骨質以修復骨折的外科手術。由于治療骨缺損和損傷的傳統(tǒng)治療方法緩慢且昂貴，用生物打印的組織替代骨組織，可以為患者創(chuàng)造令人興奮的治療方法。這些可用于治療關節(jié)炎、骨折、牙齒感染和顱骨缺損等缺陷和疾病。

該領域的最新進展來自萊斯大學和馬里蘭大學（UMD）。這些機構的科學家們勾勒出了一種新的概念驗證，用于3D打印人工骨組織，幫助修復與關節(jié)炎和運動事故相關的損傷。

2019年底，俄羅斯生物技術研究實驗室的3D生物打印解決方案公司在國際空間站上，在零重力下3D打印了生物骨組織。利用其Organ.Aut 3D生物打印機，該實驗室的研究人員希望有朝一日能創(chuàng)造出真正的骨植入物，供宇航員在漫長的星際任務中進行移植。

△Akhilesh Gaharwar博士和他的多學科團隊正在尋找新的方法來設計和生產3D生物打印骨組織，圖片來自德克薩斯農工大學工程學院

納米工程的生物鏈路用于更堅固的骨結構

在生物打印過程中，含有細胞的生物材料以液體形式流過噴嘴，然后在沉積后立即凝固。這就要求生物墨水作為細胞載體和結構成分，在提供細胞友好的微環(huán)境的同時，還必須具有高度的可打印性。

Gaharwar團隊在論文中解釋說，目前使用中的生物鍵缺乏足夠的生物相容性、可打印性、結構穩(wěn)定性和組織特異性功能，而這些都是臨床前和臨床應用生物打印所需要的。"由于缺乏能夠滿足3D打印和組織工程需求的生物墨水，生物打印的潛在應用受到了限制。例如，理想的生物鍵必須能夠擠出成穩(wěn)定的3D結構，同時在打印過程中和打印后還能保護細胞，并提供一個合適的環(huán)境，可以重塑成目標組織。不幸的是，傳統(tǒng)的水凝膠很弱，可打印性很差。"

針對這一問題，Gaharwar的研究小組開發(fā)了專門用于3D骨生物打印的NICE生物墨水配方。NICE生物墨水是兩種技術（非強化和離子共價網絡）的組合。兩者結合使用，可提供有效的強化，使骨結構更加堅固。"NICE生物鏈路允許精確控制可打印性、機械性能和降解特性，實現了機械彈性、細胞化結構的定制化3D打印。"

一旦生物打印過程完成后，含有細胞的NICE網絡會被交聯(lián)，形成更堅固的支架。利用這種技術，Gaharwar和他的團隊已經能夠制作出全尺寸的、細胞友好型的人體部位重建，包括耳朵、血管、軟骨和骨節(jié)等。

在他們的測試中，研究人員發(fā)現，封閉的細胞開始沉積新的蛋白質，其中含有一種類似軟骨的細胞外基質，隨后在三個月的時間里，這些細胞會鈣化，形成礦化的骨骼。這些3D生物打印的支架中，有5%是由鈣質組成的，這與松質骨類似，是椎骨中典型的海綿狀組織網絡。

利用他們的生物墨水和研究成果，Gaharwar的團隊計劃展示3D生物打印骨組織的體內功能。

該研究報告 "Nanoengineered Osteoinductive Bioink for 3D Bioprinting Bone Tissue "發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。作者為David Chimene、Logan Miller、Lauren M. Cross、Manish K. Jaiswal、Irtisha Singh和Akhilesh K. Gaharwar。