3d打印的活体组织可能会终结关节炎

Bioinks含有干细胞的材料被用于3D打印活组织，这种活组织可以植入体内，刺激受损的关节自愈。

这一进展可以减轻十分之一的人一生中患关节炎的不适和痛苦。关节炎的作用是破坏关节中的橡胶软骨组织，导致疼痛、僵硬和肿胀。

但是3D打印技术可以使新的软骨按需打印，使用患者自己的细胞作为构建块——一种被称为生物打印的技术。

Jos Malda教授正在荷兰乌得勒支大学医学中心的实验室里研究这种3D生物打印技术。作为3D-JOINT项目的一部分，他的团队正在努力制造生物打印组织，这种组织可以植入活关节中，以取代受损的部分。这些细胞最终会成熟为与原始健康软骨相同的组织。

干细胞已经可以通过3D打印机按照精确的蓝图沉积，一层一层地形成复杂的组织。然而，这并不意味着它们可以立即转化为新的器官或身体部位。

马尔达教授说:“打印并不是生物制造的最后一步，因为打印心脏形状的东西并不能使它成为心脏。”“打印的结构需要时间和正确的化学和生物物理线索，才能成熟为一个功能组织。”

其中一个挑战是为细胞建筑材料保持合适的条件。

传统的3D打印使用塑料，它足够柔韧，可以通过打印机喷嘴，但也足够坚固，可以保持形状。

但由于生物墨水含有活细胞，科学家们不得不开发新的解决方案。一种选择是使用水凝胶——一种由被称为聚合物的大分子网络组成的材料，被水膨胀。

“对于生物打印，材料必须能够保持细胞存活。这需要水环境和相对低温下的处理，这使得水凝胶基材料成为理想的候选材料。

但是，尽管这种水凝胶的柔软特性使它们非常适合运送细胞，但这也是它们的弱点。它们不能承受体内某些组织所承受的机械负荷。

强大的

为了解决这个问题，Malda教授和他的团队正在试验添加材料，这种材料可以使水凝胶足够坚固，可以作为软骨的替代品。

马尔达教授解释说:“加强水凝胶使其更坚固，就像钢棒与软水泥结合形成钢筋混凝土一样，钢筋混凝土是我们房屋的基础。”

他的团队正在使用熔融电解技术，这是一种3d打印技术，将熔化的聚己内酯(一种聚酯)与电场结合在一起，可以制造出像头发一样细的纤维。

利用这些微纤维，研究小组制造了支架，将其与含有细胞的水凝胶结合起来——已经取得了良好的效果。

Malda教授说:“水凝胶和纤维的结合协同作用，使复合材料的强度增加了50倍以上，同时仍然允许细胞产生细胞外基质并成熟为软骨样组织。”

他的团队正在努力将这一过程升级，以制造更大的结构，同时将不同的材料组合在一起，用于骨和软骨组织的替代。最终的目标是3D打印出一个完整的关节。

除了作为丢失的软骨和骨骼的替代品，用这种方式打印细胞还可以帮助身体修复受损组织。

爱尔兰都柏林三一学院的丹尼尔·凯利教授正在参与一个名为“联合打印”的项目来开发这样一个系统——考虑到该领域仍处于新兴阶段，这是一个相当大的挑战。

凯利教授说:“文献中相对较少的例子表明，在适当的临床前(动物)模型中，生物打印组织能够真正使受损组织再生。”

他正在致力于开发生物墨水，这种墨水不仅可以打印，而且还可以通过改变支持和包围打印细胞的分子来刺激干细胞产生新的软骨，指导它们产生正确类型的组织。

他们的想法是，这些新打印的干细胞在植入体内后可以帮助修复受损的组织。

凯利教授的团队还在研究使用一种被称为生长因子的物质来刺激受伤组织中新血管的形成。

他说:“我们有时会在生物打印组织中加入VEGF(血管内皮生长因子)，以促进在受损骨骼或关节的区域形成新的血管，我们希望骨骼在这些区域生长。”

“我们在生物打印组织中引入梯度的VEGF，引导宿主血管(形成)到我们植入物的适当区域。”

虽然科学家们关注的是软骨和骨骼，但对关节的要求可能会因关节在身体中的位置而有很大差异。

为了测试打印的组织，Kelly教授使用专门的机械测试机器来确定它们的刚度和弹性，以及计算模型来更好地了解植入物的结构和组成如何在特定环境中调整以发挥作用。

总而言之，凯利教授对生物打印的未来应用持乐观态度。

“我认为生物打印将有两个主要应用。首先，作为再生医学中新组织和器官的来源。其次，作为更好地了解人类疾病的工具，并测试针对此类疾病的新药的安全性和有效性。”

伊森·比尔比