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視頻 l 金屬、石墨烯、組織工程樣樣通,看美國西北大學如何用材料玩轉生物3D打印機

3D科學谷2020-06-21 09:49:53

提到生物3D打印機,我們最先想到的應用就是3D打印人工組織或人工器官。大多數生物3D打印機的工作原理是利用壓力將生物墨水從墨盒中擠出,并通過注射器式的針頭將材料沉積下來。


在材料技術的驅動下,生物墨水的種類不局限于含有細胞的水凝膠,還可以是含有陶瓷、金屬、石墨烯等材料的墨水。有了這些材料,生物3D打印機的應用范圍被拓展至工程、電子等領域。美國西北大學材料科學和工程系的Shah TEAM實驗室正是通過這些多樣化的生物墨水,將生物3D打印機”玩“出了新花樣。


顆粒懸浮狀材料

拓寬生物3D打印機的應用領域


致力于組織工程和增材制造的材料團隊

Shah TEAM 實驗室的全稱是Shah Tissue Engineering and Addictive Manufacturing (TEAM)Lab。實驗室專注于為組織工程和增材制造領域開發3D打印油墨新材料。除了材料研發,實驗室還從事表征、功能測試和優化3D打印結構的工作。


負責人?Ramille Shah 教授的專業方向是材料科學與工程。最初接觸生物3D打印是2011年,那時她正在準備一門組織工程學的課程-制造支架的新技術,為此她決定用自己的學術項目基金采購一臺EnvisionTec 3D-Bioplotter 生物3D打印機。在此后的工作中,Shah教授的的團隊針對這臺打印機開發可用的生物打印墨水。


3D-Bioplotter 最主要的應用是打印骨組織再生支架、軟組織、藥物緩釋和器官打印。3D-Bioplotter 生物3D打印機也是基于注射擠出式的工作原理,目前第四代打印機可同時打印5種不同的材料,打印機中的自動化裝置可在打印中自動更換打印墨盒,進行溫度控制和針頭的清洗。




基于3D-Bioplotter 打印機,Shah TEAM 實驗室主要開發兩種類型的材料:一種是用于組織工程和再生醫學的水凝膠材料,另一種是顆粒懸浮狀的油墨。顆粒懸浮狀油墨最初也是為了組織工程學的應用而研發的,此后實驗室的團隊發現通過混入金屬、石墨烯顆粒,顆粒懸浮狀油墨和生物3D打印機的應用可以拓展至更廣泛的領域。


促進骨骼再生的顆粒懸浮狀油墨



Shah TEAM 實驗室最初開發的顆粒懸浮狀油墨是在聚合物溶劑中混入功能性的羥基磷灰石,該成分是骨骼中重要的礦物成分。使用這種油墨可打印出骨骼修復支架,在經過清洗、消毒之后可直接進行手術植入,在植入體內后體內的骨細胞會逐漸在支架中生長,逐漸形成新的骨骼組織,聚合物材料將在體內被降解吸收,而在3D打印聚合物支架上生長出來的骨頭將與周邊組織融為一體。


Shah TEAM 實驗室研究團隊發現,他們研發的油墨材料載荷水平高,通過調整顆粒的比例,可以改變幽默中的顆粒密度和孔隙率,當羥基磷灰石顆粒帶到高密度時將為骨細胞提供一個適合成長的環境,以便于逐漸形成新的骨組織。另一方面,材料的孔隙讓體內的骨組織和血管在支架植入物上生長。


從組織到器官

Shah TEAM實驗室還參與了一些3D打印復雜人體組織的研究項目,如生物3D打印人工卵巢。在進行卵巢再生時,首先需要3D打印出一個凝膠支架,然后將卵泡細胞”播種“在上面逐漸培養出卵巢。


目前這種人工卵巢在小鼠身上進行了成功的實驗,下一步項目團隊將進行大動物實驗以獲得更準確的科研數據,當條件成熟的情況下將進行臨床實驗。該成果走向臨床應用仍需多年時間。Shah教授認為,相比之下羥基磷灰石3D打印人工骨將較早進入臨床應用,這個過程大約5-10年。


從骨骼到金屬和石墨烯

除了組織工程和再生醫學這個老本行之外,Shah TEAM實驗室還將生物墨水和生物3D打印機的應用拓展到了金屬和石墨烯領域,他們陸續開發了含有鐵氧化物、鎳等金屬成分的顆粒懸浮狀油墨。這些金屬3D打印的零部件與骨骼修復支架類似,零件中的聚合物材料最終也會消失掉,所不同的是,在打印完成之后金屬打印對象中的聚合物成分并不是自然降解,而是通過高溫燒結的方式進行“降解”,從而留下一個致密的金屬零部件。



圖片來源:Shah TEAM Lab

Shah TEAM實驗室使用這些材料和生物3D打印機,可在相對較低的成本和快速的情況下打印出均勻的金屬零部件。通過改變燒結爐的溫度或油墨的成分,Shah的團隊可以提升金屬零部件的品質,并進一步擴展材料的應用和功能。



圖片來源:Shah TEAM Lab


除了將油墨材料范圍擴展至金屬,Shah TEAM實驗室還開發了石墨烯油墨,通過相似的顆粒狀油墨材料工藝,他們開發的石墨烯油墨密度達60%-70%,可以打印出較大尺寸的結構。


這種石墨烯油墨的應用領域包括3D打印生物相容性的傳感器和誘導組織再生的支架等。在應用研究的過程中產生了一個令人興奮的結果是,干細胞在3D打印的石墨烯支架分化成了神經元細胞。Shah教授認為產生這一結果可能與石墨烯的導電性相關,產生這一結果的詳細機制仍在實驗室團隊的研究中。

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