《电子技术应用》

研究人员已研发出可控制干细胞分化的生物医疗3D打印支架

2016/10/20 17:52:00

  3D生物打印常常被认为具有通过再生性植入物颠覆医学世界的潜力,甚至有可能导致人造器官和组织的出现。在全世界有多家研究机构都在进行着3D打印细胞结构的研究竞赛。但是,他们都面临着一个重大的障碍:如何才能3D打印出一个支架,让上面的细胞按照研究人员希望的方式生长?如今,这一障碍正在被荷兰Maastricht大学Moroni实验室的研究人员们解决,他们开创性地设计的几个3D打印支架展示了如何通过渐进式的影响使成体干细胞朝着骨骼细胞的方向分化。

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  显而易见,这是迈向3D打印骨骼植入物非常重要的一步。据了解,获得这一成果的Moroni实验室是欧洲最大的生物制造中心之一。该实验室成立于两年前,隶属于Maastricht 大学的MERLN再生医学技术研究所。实际上,该实验室的渊源可以追溯至2009年,这个研究团队首次在Twente大学成立。从那时起,他们已长成位Brightlands生态系统的一个关键组成部分。Brightlands一直致力于跟医院临床部门合作创立新的生物医学3D打印项目。

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  据研究人员解释称,他们的目标是开发出一个可以控制细胞“命运”——它们是变成皮肤细胞、骨细胞还是其它类型的细胞——的3D支架的完整数据库。“第一代产品中的细胞是悬浮在水凝胶、或着被植入3D多孔基质当中的。这些产品通过减少疼痛和恢复组织延续性证明了再生医学治疗的潜力。但是这些再生组织的功能并不总是跟原生的一样。”他们解释说。“这会在手术几年后导致退化,因此还需要再次进行手术。”

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  这里原因是多方面的,但是最主要的因素在于细胞增殖和稳态所需要的需要3D环境。由于原始的细胞显性缺失,导致增殖的细胞产生了不同的细胞外基质,该基质与它应当重新生成的靶组织并不一致。“此外,是用这些产品的外科手术通常要包括两个步骤,即隔离和增殖取自组织活检的细胞,以及在植入前将细胞种植在支架上。这通常需要患者在医院待更长的时间,从而增加了医疗费用。”他们补充说。

  而这个问题有可能通过“智能构建”来克服,这种方法可以完全控制植入的干细胞的“命运”,从而为各种再生医学应用铺平了道路。“更好地控制细胞与材料之间的相互作用是维持组织结构所必要的。它是控制干细胞在3D支架中休眠、增殖和分化,同时将细胞保持在原位的关键。”他们解释说。在这个过程中,3D生物打印可以发挥巨大的作用,但新的技术和硬件的发展是绝对必要的。

  该实验室获得的最新成果是朝着正确的方向上迈出的重要的一步。因为在其发表的一系列论文中,他们已经展示了3D打印技术是如何可以被用来设计和制造带有嵌入结构和物理-化学梯度的支架。据悉,正是这些梯度影响着成体干细胞朝着骨细胞方向的分化。“我们展示了孔隙大小和形状的梯度是如何帮助源自成人间充质干细胞(或基质)的骨髓向骨骼系分化的。”他们说。“当间充质干细胞在孔隙大小变化的支架上培养时,他们能更好地分化成骨或软骨(在软骨或骨媒介存在的情况下)。”

  更重要的是,这是一个很灵活的过程。在支架上的孔隙尺寸可以增加或减少,从使其分化成骨(增加时)或者软骨(减少时)。“同样地,当孔隙形状从偏正方形变化到更偏菱形形状时,骨髓间充质干细胞的分化方向也会从软骨逐渐转向骨。”他们补充说。

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