浙江大学贺永教授团队:原位生物3D打印,实现不规则创伤的原位修复
时间:2022-07-26 09:39 来源:3D科学谷 作者:admin 点击:次
混凝土通过石子被水泥的浸润赋予其良好的可打印性及强度,也是建筑3D打印常用材料。受混凝土启发,浙江大学机械工程学院贺永教授团队(EFL团队),提出了全新的“生物混凝土”墨水思路:将预功能化的载细胞微球作为“石子”,高浓度GelMA水凝胶预聚液作为“水泥”,并开发了机器人原位生物3D打印系统,实现了对不规则创伤的原位修复。 本期谷.专栏将分享这一科研成果。 相关研究“In situ 3D bioprinting with bioconcrete bioink”发表在Nature Communications期刊上 https://doi.org/10.1038/s41467-022-30997-y 原位生物3D打印系统融合了手术机器人及生物3D打印技术,根据患者组织缺损处的形态,直接在缺损处沉积治疗用生物墨水,实现组织再生及修复。原位生物3D打印有诸多优势,因为应用场景的变化,与常规生物3D打印相比增加了很多苛刻要求:
与常规生物墨水相比,“生物混凝土”墨水具有如下特点:
为了验证“生物混凝土”墨水在原位打印场景中的适应性,研究人员分别从墨水的流变鲁棒性、原位可打印性、复合力学特性、打印体/组织结合力、体内修复能力进行了表征,并设计了紧急救援包使该墨水体系更加便携。 流变鲁棒性:与晶体具有固定的熔点(凝固点)不同,明胶等温敏型生物墨水基质材料的溶胶/凝胶状态受温度影响极大,这就使其流变性能易受温度的影响。在流变学表征中,“生物混凝土”墨水呈现Bingham流体特性,并且由于水凝胶微球在墨水体系中的主体地位,使其对大范围的温度变化(4-37 ℃)具有高度的鲁棒性,可适应原位打印场景复杂多变的环境情况。 原位可打印性:“生物混凝土”墨水可在挤出端处于低温、中温、高温环境中时形成均匀的挤出纤维。同时,在沉积端可以发现,即便传统墨水在合适的挤出打印温度中被挤出,但由于接收平台的温度过高且充满“血水”,其迅速过度溶胶化并转变成一汪液体,丧失了3D结构。而“生物混凝土”墨水由于其主体为稳定光交联的微球,即便在温度较高和充满“血水”的接收环境中,其依然能够维持良好的3D结构。这证明“生物混凝土”墨水能够在原位打印中自适应患者损伤处的复杂环境。 打印体/组织结合力:“生物混凝土”墨水中的“水泥”成分可浸润缺损组织的微小缝隙,光交联后可与缺损处组织形成更大的摩擦力,并在氢键作用下形成较强的组织结合力,防止打印体脱离患处。 复合力学性能:力学测试与仿真分析结果表明,“生物混凝土”墨水中的低强度水凝胶微球与高浓度GelMA预聚液固化后形成的高强度网络解决了生物相容性和力学性能间的矛盾,证实了其在原位打印中的力学适应性。 组织修复能力:由于“石子”相是预功能化的细胞微球,打印到创伤位置后有很好的活性,并能快速功能化,4周即可实现大鼠颅骨的有效修复。 便携性:为“生物混凝土”墨水设计了便携方案,紧急救援包内包括装载“石子”组分及“水泥”组分的保温杯及液氮、移动电源、USB加热垫、无菌注射器、3D打印喷头、试剂勺、纸巾等,结合小型机器人打印系统或手动打印模式即可在野外快速进行原位修复手术,使其在未来适用于多场景的现场紧急救援工作。 除此之外,实际的临床案例中患者的组织缺损可由多种原因引起,因而由事故造成的缺损结构形态及尺寸大相径庭。为了验证“生物混凝土”墨水对于不同组织缺损结构的原位打印及修复能力,设置了四种具有不同形状、不同大小的颅骨缺损大鼠“患者”模型(近似“长方形”、“正方形”、“梯形”、“三角形”为底面的拉伸体缺损模型),作为四名具有不同颅骨损伤形态并需要原位打印修复的“患者”。 原位打印平台选用机械臂系统,并将注射泵系统夹持于该机械臂上以实现墨水的恒流量供应。原位打印喷头选用锥形塑料喷头。根据大鼠“患者”不同的颅骨缺损3D结构,在“患者”缺损处进行原位打印。待打印结束后,利用405 nm蓝光手电筒对墨水进行光固化,最后将“患者”伤口缝合并对伤口消毒。实验结果表明“生物混凝土”墨水在各“患者”的原位修复中具有高度可行性及修复能力。 (责任编辑:admin) |