是否有可能在實驗室中生長組織,例如替代受傷的軟骨?在維也納工業(yè)大學的研究人員現(xiàn)已向制造實驗室級別替代組織的目標邁進了一大步,他們采用了一種與全球其他地方所使用技術大相徑庭的方法,成功地在實驗室中培養(yǎng)了可以替代受損軟骨的組織。這項開創(chuàng)性的研究成果已在《生物材料學報》上發(fā)表。
該方法利用了一種特殊的高分辨率3D打印技術,創(chuàng)建了由生物兼容且可降解塑料制成的微型多孔球體,并在球體內(nèi)植入細胞。這些球體隨后能夠被排列成任意的幾何形狀,其中不同單元的細胞能夠無縫融合,形成一體的活組織。值得一提的是,軟骨組織的成功培養(yǎng)已在維也納工業(yè)大學得到驗證,此前這被認為是一項特別具有挑戰(zhàn)性的工作。
維也納工業(yè)大學材料科學與技術研究所的研究人員Oliver Kopinski-Grünwald表示:“培養(yǎng)干細胞以生成軟骨細胞并非最大挑戰(zhàn),主要的難題在于通常很難控制最終組織的形狀,因為這些干細胞團塊會隨時間改變形狀并常常收縮?!?br />
為了解決這一問題,研究團隊采取了一種新方法:使用一種專門開發(fā)的激光高分辨率3D打印系統(tǒng)來制造直徑僅為三分之一毫米的迷你籠狀結構,這些結構形似微型足球,可以作為支撐結構,像積木一樣組裝成任何形狀。
干細胞首先被引入這些足球形狀的迷你籠中,并很快充滿這些微小空間。Aleksandr Ovsianikov教授,3D打印和生物制造的負責人解釋說:“通過這種方法,我們可以可靠地生產(chǎn)出細胞分布均勻且密度極高的組織元件,這是以往方法無法實現(xiàn)的。”維也納工業(yè)大學的研究團隊。
使用了特殊處理的干細胞,這些細胞被預設為形成特定類型的組織,在本研究中即是軟骨組織。這類細胞在醫(yī)學應用中極具吸引力,但在構建更大的軟骨組織時面臨挑戰(zhàn),因為軟骨細胞形成的細胞外基質(zhì)通常阻礙不同細胞球體以預期方式共同成長。
如果3D打印的多孔球體能夠按照所需方式被細胞定植,那么這些球體就能被排列成任何所需形狀?,F(xiàn)在的關鍵問題是,不同球體中的細胞能否也融合成為均一、同質(zhì)的組織。
Kopinski-Grünwald表示:“我們現(xiàn)在首次展示了這一過程。通過顯微鏡,我們可以清晰地看到,相鄰的球體相互生長、細胞之間進行遷移,無縫地連接并形成一個沒有任何空隙的封閉結構,與以往的方法相比,這種方法避免了相鄰細胞團之間可見的分界線。”
這些微型3D打印支架在組織成熟過程中提供了結構的機械穩(wěn)定性。幾個月后,塑料結構會自然降解并消失,留下所需形狀的成熟組織。
這項研究不僅限于軟骨組織,理論上還可以用于定制其他類型的更大組織,如骨組織。然而,對于超出一定大小的組織,如何整合血管系統(tǒng)仍是一項挑戰(zhàn)。
Oliver Kopinski-Grünwald說:“我們的初步目標是制造小塊定制軟骨組織,可以用來替換受傷后的軟骨材料。”“無論如何,我們已經(jīng)證明了使用球形微支架生產(chǎn)軟骨組織的方法在原理上是可行的,并且與其他技術相比具有決定性優(yōu)勢。”
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