新技术打破了3D打印医疗植入物的模式

通过|2021年5月26日,

研究人员颠覆了传统的3D打印技术,创造出一些迄今为止最复杂的生物医学结构。

用新的NEST3D技术创建的微小而复杂的生物医学结构。图片来源:此生

研究人员颠覆了传统的3D打印技术,创造了一些迄今为止最复杂的生物医学结构,推动了骨骼和组织再生新技术的发展。

组织工程这一新兴领域的目标是利用人体自身的自愈能力,重建因肿瘤或损伤而失去的骨骼和肌肉。生物医学工程师的一个重点是设计和开发3D打印支架,可以植入体内支持细胞再生。但是使这些结构足够小和复杂以使细胞能够茁壮成长仍然是一个重大的挑战。

RMIT大学领导的研究团队与澳大利亚墨尔本圣文森特医院的临床医生合作,他们推翻了传统的3D打印方法。

该团队没有直接制造生物支架,而是用3D技术打印出带有图案复杂的腔体的模具,然后在其上填充生物相容性材料,然后将模具溶解掉。

利用间接的方法,该团队创造了指甲大小的生物支架,充满了复杂的结构,直到现在,人们认为标准的3D打印机是不可能的。

首席研究员Cathal O 'Connell博士表示,这种新的生物制造方法具有成本效益,而且易于扩展,因为它依赖于广泛使用的技术。奥康奈尔说:“标准的3D打印机所能做出的形状受到打印喷嘴大小的限制——喷嘴的开口必须足够大,以便材料能够通过,这最终会影响打印的大小。”“但打印材料之间的间隙可以小得多,也要复杂得多。

“通过改变我们的想法,我们基本上在3D打印模具的空白空间中绘制了我们想要的结构。这让我们能够创造出微小、复杂的微结构,让细胞得以茁壮成长。”

通用的技术

奥康奈尔说,其他方法也能创造出令人印象深刻的结构,但只能使用精确定制的材料,辅以特殊添加剂或特殊化学修饰。

“重要的是,我们的技术足够通用,可以使用现成的医用级材料,”他说。“用一个普通的‘高中’级3D打印机创造出如此复杂的形状是非常了不起的。这确实降低了进入该领域的门槛,让我们离组织工程成为医学现实又近了一步。”

该研究发表于先进材料技术,是在BioFab3D@ACMD进行的。BioFab3D@ACMD是位于墨尔本圣文森特医院的最先进的生物工程研究、教育和培训中心。

墨尔本圣文森特医院(St Vincent 's Hospital Melbourne)的整形外科医生、项目合著者克劳迪娅·迪·贝拉(Claudia Di Bella)教授表示,该研究显示了临床医生、工程师和生物医学科学家联合起来解决一个临床问题的可能性。

迪贝拉说:“临床医生面临的一个共同问题是,他们无法获得针对他们每天面临的问题的技术实验解决方案。”虽然临床医生是发现问题并思考潜在解决方案的最佳专业人员,但生物医学工程师可以把这个想法变成现实。

“学习如何说工程学和医学领域的共同语言通常是一个最初的障碍,但一旦这个障碍被克服,可能性就会无穷无尽。”

未来的治疗工具

目前,对于那些由于疾病或损伤而失去大量骨骼或组织的人来说,治疗选择很少,所以截肢或金属植入物来填补这一缺口是常见的结果。

虽然世界各地已经进行了一些组织工程的临床试验,但关键的生物工程挑战仍然需要解决,3D生物打印技术要成为外科医生的工具包的标准部分。

在矫形外科中,一个主要的关键点是能够同时在骨骼和软骨上工作的生物支架的发展。奥康奈尔说:“我们的新方法非常精确,我们可以在一个生物支架中创造出特殊的骨骼和软骨生长的微观结构。”“这是一种理想的外科手术——一个集成的支架,可以支持两种类型的细胞,更好地复制身体的工作方式。”

人体细胞试验表明,用这种新方法制造的生物支架是安全无毒的。

研究人员的下一步将是测试优化细胞再生的设计,并调查不同生物相容性材料组合对细胞再生的影响。

步骤:如何反向打印生物支架

研究人员将这种新方法称为负面具尸牺牲模板3D (NEST3D)打印,它使用简单的PVA胶水作为3D打印模具的基础。一旦注入模具的生物相容性材料定型,整个结构就被放入水中溶解胶水,只留下培养细胞的生物支架。

该研究的第一作者斯蒂芬妮·多伊尔(Stephanie Doyle)表示,该方法使研究人员能够快速测试各种材料的组合,以确定哪些材料对细胞生长最有效。

多伊尔说:“我们先进的注塑技术的优势在于它的多功能性。”“我们可以用一系列材料生产数十种试验生物支架——从生物可降解聚合物到水凝胶、硅酮和陶瓷——而不需要严格的优化或专业设备。

“我们能够制造出直径只有200微米的3D结构,相当于人类四根头发的宽度,其复杂性可与基于光的制造技术相媲美。”它可以成为生物制造和组织工程研究的巨大加速器。”

参考:Stephanie Doyle等人,线间打印:通过负面具身牺牲模板3D (NEST3D)打印制造复杂的生物材料结构,先进材料技术(2021年)。DOI: 10.1002 / admt.202100189

RMIT Univesity