使用胶原蛋白进行某些类型的组织再生可能有困难,麻省理工学院的工程师们设计了柔韧的3D打印网状材料

 物联网     |      2020-01-27 18:18

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论文学生格洛弗探讨了3D打印结构在生物打印中的应用,并在“ 原位聚合胶原蛋白用于3D打印组织工程支架的开发 ”中进一步概述了他的发现。格洛弗解释了胶原蛋白的优点,同时也讨论了使用它的挑战,格洛弗解释说这种天然材料一直是组织工程的最爱,为实验室的企业展示了优秀的蛋白质结构。

美国《趣味科学》网站日前报道称,英国科学家近日使用新的3D打印技术,首次打印出像人脑一样柔软的类脑组织,朝最终3D打印出功能齐备的完整大脑迈出重要一步。 以往,只有相对硬一些的材料可被3D打印出来,而大脑、肺等软组织,一般很难通过3D打印技术获得。这是因为3D打印过程涉及逐层建造物体,下层要能支撑不断增长的结构的重量,打印非常柔软的材料,容易出现底层材料崩塌问题。 此次,研究人员使用一种新型复合水凝胶(包含水溶性合成聚乙烯醇以及植物凝胶两种成分),打印出三维支架,然后用胶原蛋白包裹打印出结构,并用人类细胞进行填充,得到了类脑软组织。 新研究主要作者、伦敦帝国理工学院机械工程系研究人员谭正初(音)说:3D打印技术有望使医生利用病人自己的细胞,为其制造出定制器官,从而大幅缓解移植器官严重短缺的问题。但以前3D打印出来的生物结构,大多是骨骼或像肝脏、肾脏这样的较硬器官,大脑等软组织很难3D打印。 为解决打印软组织难这一问题,研究人员在打印过程中进行了降温处理。谭正初说:我们使用的是低温打印过程,这意味着,下层被冻住了,这使其非常稳固,新层结构可以打印在上面,不会出现底层崩塌的现象。打印完成后,我们可以让得到的物体慢慢解冻,并保持形状。 据悉,该技术目前还存在不少局限性,比如,他们仅能制造出类脑组织的小样本,而非整个大脑。此外,他们计划进一步提高目前使用的低温技术。 研究人员认为,要使用3D打印技术获得功能齐备的复杂人类器官(大脑或肺等),可能还要等数十年时间,但该技术获得的组织可帮助科学家研究大脑或肺在不同环境下(如脑外伤等)的行为。 总编辑圈点 大脑可不好仿造。它具有极其复杂的宏观和微观结构,大脑皮质覆盖着每个脑半球的大部分,大脑皮层的内部组织是白质,外部表面还有大量深浅不一的褶皱状沟回。但要深入研究人脑,必须得有一个像样的模型。大脑结构复杂,用3D打印其实是个好选择。只是该技术有天然局限,搞不定软趴趴的东西。此次的成功,是工程学上的进步,研究者终於攻克了软组织打印这一难题。但是,离构建出有实际操作意义的3D打印版大脑,还远着呢。不积跬步无以至千里,只能慢慢等待了。 相关阅读 凸感烫印出现问题?这么解决就对了王岩镔理事长在软包装论坛上的讲话我国首部《3D打印标准化白皮书》发布Dienes收获德国品牌大奖数字印刷在悄悄挤压传统印刷空间融媒体报道让古老印刷术“活”起来

由于3D打印,助听器,牙冠和肢体假肢是一些现在可以为个体患者进行数字化设计和定制的医疗设备。然而,这些装置通常设计成替换或支撑身体的骨骼和其他刚性部分,并且通常由固体的相对非柔性材料印刷。

“人体中几乎所有组织都含有胶原蛋白,包括皮肤,肌肉,神经,脉管系统,肌腱,韧带甚至骨骼。例如,皮肤质量为80%的胶原蛋白。由于这种丰富,胶原蛋白具有极强的生物相容性和多功能性,“格洛弗说。“通过适当的机械和化学刺激,接种在胶原支架上的干细胞有可能分化出无数的细胞谱系,几乎成为人体内的任何组织。”

竞博jbo下载 ,现在,麻省理工学院的工程师们设计了柔韧的3D打印网状材料,它们具有灵活性和韧性,可以模拟和支撑肌肉和肌腱等柔软组织。他们可以定制每个网格中复杂的结构,他们设想坚韧而有弹性的织物状材料被用作个性化的可穿戴支撑,包括脚踝或膝盖支撑,甚至可植入的设备,如疝气网,更好地匹配人的身体。

然而,使用胶原蛋白进行某些类型的组织再生可能有困难,以及其他缺点,例如从凝胶状态进展到固体所需的时间。

作为演示,该团队印刷了一个柔韧的网状物,用于脚踝支架。他们调整了网状物的结构,以防止脚踝向内转

对于这个项目,格洛弗研究了基于3D胶原的支架的制造,他用各种抗炎剂如金纳米粒子和姜黄素增强了这种支架。具体而言,他使用原位聚合胶原蛋白,这是一种衍生自1型猪胶原蛋白的独特材料。在实验中,他对测试组进行了不同的后期印刷处理。有些只是处于基本的3D打印状态,其他的是没有AuNP或姜黄素或1X或2X AuNP或姜黄素的交联。在评估每个支架的稳定性然后注意其活力以及哪种类型的治疗最成功时进行表征。

  • 这是造成伤害的常见原因 - 同时允许关节在其他方向上自由移动。研究人员还制作了一种膝盖支架设计,即使在弯曲时也能与膝盖保持一致。并且,他们生产了一种手套,在其顶部表面缝有三维印刷网眼,符合佩戴者的指关节,可抵抗中风后可能发生的无意识咬合。

确定可行性的任务如下:

这项工作是新的,因为它专注于支持软组织所需的机械性能和几何形状,塞巴斯蒂安帕丁森说,他是麻省理工学院的博士后研究人员。

以3D打印均匀且可重复的胶原蛋白支架

帕丁森现在是剑桥大学的教师,是发表在高级功能材料杂志上的一项研究的主要作者。他的麻省理工学院合着者包括Meghan Huber,Sanha Kim,Jongwoo Lee,Sarah Grunsfeld,Ricardo Roberts,Gregory Dreifus,Christoph Meier和刘磊,以及Sun Jae机械工程教授Neville Hogan和机械工程副教授A.约翰哈特。

检查交联支架的热性质

骑胶原蛋白的波浪该团队灵活的网眼灵感来自于柔韧,舒适的面料。3D打印的服装和设备往往非常笨重,帕丁森说。我们试图想到如何使3D打印结构更加灵活和舒适如纺织品和织物。

验证和量化交联支架中金纳米粒子的存在

帕丁森在胶原蛋白中找到了进一步的灵感,胶原蛋白是构成身体大部分软组织的结构蛋白,存在于韧带,肌腱和肌肉中。在显微镜下,胶原蛋白可以像弯曲,交织的股线,类似于松散编织的弹性带。当拉伸时,这种胶原蛋白最初很容易,因为它的结构中的扭结会变直。但是一旦绷紧,股线就难以延伸。

评估金纳米粒子和姜黄素支架的细胞毒性和抗炎能力

受胶原蛋白分子结构的启发,Pattinson设计了波浪纹图案,使用热塑性聚氨酯作为印刷材料进行3D打印。然后,他制作了一个网状配置,类似于弹性但坚韧,柔韧的面料。他设计的波浪越高,网格就越能在低应变下拉伸,然后变得更加僵硬

六个实验组是:

  • 这一设计原则可以帮助定制网格的柔韧度并帮助它模仿软组织。

1、交联

研究人员打印了一条长条状的网状物,测试了它对几名健康志愿者脚踝的支撑。对于每个志愿者,该团队沿着脚踝外侧的长度粘贴一条带,如果它向内转,他们预测会支撑脚踝。然后他们将每个志愿者的脚踝放入一个脚踝僵硬测量机器人

2、交联

  • 在逻辑上命名为Anklebot - 这是在Hogan实验室开发的。Anklebot在12个不同的方向上移动他们的脚踝,然后测量每次运动时脚踝施加的力,使用网状物并且没有它,以了解网状物如何影响踝部在不同方向上的刚度。

3、金纳米粒子

4、姜黄素

5、2X AuNP

6、2X姜黄素

“存在未交联的群体,以检验单独交联的影响; 存在AuNP和姜黄素组以确定每种生物活性剂的作用; 存在2X AuNP和2X姜黄素组会加剧这些影响,无论好坏,“格洛弗说。

格洛弗定制了自己的3D打印机,由CNC铣床组装而成,由三个步进电机操纵平移台。Mach3 Mill软件用于设计和编辑。在研究期间制作的两种最常见的3D打印是网格图案和用于细胞分析的圆圈。格洛弗发现他的硬件分辨率不是最佳,但认为它在更高性能的打印机上可能更精细。

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3D打印机具有3D打印的皮套,用于容纳注射泵,在这里可以看到打印出圆形网格图案

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Mach3 Mill软件界面具有许多我们3D打印过程中未使用的功能,例如工具信息和主轴速度盒。

与EDC或京尼平的交联证明可增强3D打印支架的稳定性和耐久性。

“通过比较印刷与后印刷中EDC交联的应用,发现印后交联产生的稳定性明显高于印刷时的交联,”研究人员表示。

与EDC交联的胶原基支架显示出“极好的细胞活力”,尽管格洛弗指出金纳米粒子似乎在一定程度上降低了活力的成功率。京尼平也降低了活力,随着姜黄素的加入,其活力进一步下降。

“如前所述,单独使用胶原蛋白是一种易碎的物质,即使交联后,如果过度处理也会使其变质。如果要将该平台用于生产可植入支架,则需要显着改善胶原蛋白的耐久性。这可以通过将IPC与其他材料一起打印或通过胶原蛋白的进一步印后操作来实现,而不仅仅是交联,“格洛弗总结道,他继续指出打印机分辨率需要改进,同时增强印刷产品的抗炎能力。

胶原蛋白3D打印最近引起了研究人员的极大兴趣,包括在艺术面具,生物粉和皮肤移植中的应用。