直接在体内打印3D组织?这不是“西部世界”

2020
06/18

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汉鼎好医友
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3D打印技术正在各个领域发光发热,医学方面自然也不例外。

在科幻神剧《西部世界》中,人体部位是用3D打印机在机器人框架上构建出来的。

尽管现实中3D打印机还无法实现这般魔幻的操作,但它正越来越多地应用于医学领域。例如,3D打印技术可以用于制造人体的某些部位,如骨科关节和假肢,以及部分骨骼、皮肤和血管。

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然而,这些组织中的大多数是在体外设备中制造的,然后通过手术植入体内。这样的操作可能造成大的手术切口,增加患者的感染风险,延长康复时间。由于组织制造出来后到植入患者体内,这之间有一段时间间隔,可能引发进一步的并发症。为了避免这些并发症,一群科学家开发了一种技术,可以直接在体内打印组织。

制造工程组织需要两个基本组建:

(1)一种由混合活细胞的框架材料组成的类液体“生物墨水”;

(2)帮助细胞生长发育成再生组织的生长因子。

在开发直接植入体内的组织时,还有其他的事情要考虑:组织的构建必须在体温(37°C)下进行;组织必须有效地附着在柔软的活体组织,且任何程序步骤不应对患者有害。在目前的方法中,其中一个步骤是用有害的紫外光来固化已构建的组织,这可能对患者造成伤害。

目前,Terasaki研究所所长兼首席执行官Ali Khademhosseini博士,与俄亥俄州立大学机械与航天工程系的David J Hoelzle博士,以及宾夕法尼亚州立大学化学工程系的Amir Sheikhi博士合作,研发出一种特殊配方的生物墨水,用于体内直接打印。

Ali Asghari Adib博士说:“这种生物墨水配方可以在生理温度下进行3D打印,并且可以利用体内的可见光安全交联。” 为了构建组织,他们使用了机器人3D打印技术,这种技术使用带有喷嘴的机器人。生物墨水以高度精确、可编程的方式通过喷嘴喷射,就像冰管挤压出书写凝胶一样。

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图示:一种直接植入到柔软活组织的特定组织的3D晶格结构(图片来源:俄亥俄州立大学)

该团队还研究了将这种生物墨水形成的组织碎片附着在柔软表面上的方法。在试图将组织附着到生鸡肉条和琼脂糖片上的实验中,该团队采用了独特的互锁技术,该技术使用了机器人3D打印机及其特制的生物墨水。喷嘴头经过了修改,能够穿透柔软的表面,并在撤回时用生物墨水填充穿刺的空间。这为组织构造创建了锚。当喷嘴尖端到达表面时,它分配了额外的生物墨水滴以“锁定”锚固件。Asghari Adib说:“这种互锁机制使支架更牢固地连接到患者体内的软组织基质上。”

组织工程学中的这些改进,有助于为一些患者提供低风险、微创的腹腔镜手术选择,如修复组织或器官缺损,工程/植入补片以增强卵巢功能,或创建生物功能的疝修补网等。这对病人来说更安全,更省时,更划算。对组织工程设计的进一步改进和对其他条件的调整,或许可以进一步增加定制化的可能,从而为治疗带来无限可能。

“开发出能应对各种伤害和疾病的个性化组织,将给未来医学带来巨大变革。如今,我们已经迈出了重要的一步,它使我们能够在手术时,将正确的细胞和材料直接递送至缺损处。”Khademhosseini说,“这将强化我们的个性化植入技术平台,有助于解决患者组织缺损问题。”

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关键词:
机器人,组织,体内

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