研究

科学家3D生物颗粒关节软骨来自干细胞

2021 3D Printing Industry Awards候选名单愿意投票,现在就有发言权。

Scientists from the Nakayama Lab atSaga University京都大学in Japan have fabricated 3D printed cartilage constructs from stem cells which could potentially be used to repair large cartilage defects in patients.

Using human induced pluripotent stem cells (iPSCs), the researchers created the cartilage structures using a scaffold-free Kenzan bioprinting process, where the only support structure of the bioink is a microneedle matrix.

据报道,该技术使科学家能够克服基于脚手架的组织工程方法的局限。

该研究的目的是治疗不想接受由金属和塑料制成的人造关节进行治疗的运动员中关节炎等疾病。

3D打印过程的示意图。通过生物制造图像。
3D打印过程的示意图。通过生物制造图像。

Improving arthritis treatment

关节软骨是一种承重的结缔组织,覆盖骨骼的末端,以防止摩擦和保护关节。软骨损伤可能是由于疾病,创伤和退化性疾病(例如骨关节炎)而导致的,这是关节疼痛和不动的主要原因之一。

全球超过3亿人患有骨关节炎,造成巨大的临床和经济负担。当前的手术治疗,例如微裂缝和植入物,通常仅着眼于局灶性缺陷,并且不会产生长期持久的功能软骨。总关节置换也是终末期骨关节炎的唯一治疗方法,植入物在长时间内缺乏耐用性,并可能导致骨骼缩短和其他并发症。

Tissue engineering is an alternative to total joint replacement for cartilage repair and joint preservation, however the method is limited by a lack of functional cell types and biomaterials. Chondrocytes and mesenchymal stem cells (MSCs) are currently considered the most promising sources of cells for regeneration therapy, although they can be hampered by donor age, density, activity, cell phenotype and other factors.

IPSC是一种替代细胞来源,由于它们的自我更新潜力提供了具有多能功能的几乎无限数量的细胞,因此在克服这些局限性方面表现出了有希望的有望,即具有分化为许多不同细胞类型的能力。因此,选择IPSC作为科学家软骨结构的基础。

Bio-3D printer design data and images of the L-shaped construct removed from the Kenzan 18 days after printing. Image via Biofabrication.
Bio-3D printer design data and images of the L-shaped construct removed from the Kenzan 18 days after printing. Image via Biofabrication.

3D printing cartilage

Present tissue engineering technologies for cartilage regeneration can largely be separated into scaffold-based and scaffold-free methods, with 3D printing having been leveraged for multiple research projects in this area in the past.

For instance, scientists from theChalmers University of Technologyhave previously demonstrated cartilage tissue engineering to使用3D生物打印治疗骨关节炎, and microbiologists at中央昆士兰州大学探索了鳄鱼蛋白和3D生物打印to repair joint damage. Elsewhere,宾夕法尼亚州researchers have developed a novel 3D printing method to create cartilage tissue building blocks with micropores thatallow nutrient and oxygen diffusion

最近,艾伯塔大学已经开发了一种方法3D生物打印定制的鼻软骨适用于术后面部毁容的癌症患者,Swansea University是3D打印软骨组织支架无疤痕的耳朵和鼻子移植Scar Free Foundation

目前在该领域取得进展的一项备受瞩目的倡议是欧盟支持的三角项目,它正在寻求开发3D生物打印的细胞恢复踝关节植入物。去年,该项目获得了西班牙足球俱乐部的支持巴塞罗那足球俱乐部R&D实验室已同意在其业余小队上测试基于胶原蛋白的细胞移植物移植物,以最终为将来的商业释放做好准备。

Bio-3D打印机设计数据和管形软骨结构的图像。通过生物制造图像。
Bio-3D打印机设计数据和管形软骨结构的图像。通过生物制造图像。

3D打印软骨带有IPSCS

日本科学家当前的研究的目的是利用3D生物生产商来设计一种无脚手架的解剖学和形状的软骨结构。Regenova Bio-3D打印机Cyfuse Biomedical被用于研究。根据预先设计的3D数据,Regenova是一种新型的机器人系统,可通过将细胞球体放置在细针阵列中,从而促进3D细胞结构的制造。

这printer leveraged a 9 x 9 square Kenzan array consisting of 81 needles, a 26 x 26 square Kenzan array of 676 needles, and a 7 mm diameter round-type Kenzan array of 36 needles in a single row, in order to 3D print various sizes of cartilage protheses.

首先,通过MSC诱导,IPSC分化为软骨细胞(用于软骨形成的代谢活性细胞),形成高度软骨和有效的INCMSC。然后对INCMSC进行了优化的生物打印过程,然后确定最小成熟周期。然后,将上面列出的各种类型的Kenzan部署以制造较大的软骨构建体,这些软骨构建体专门针对不规则缺陷。

第一个结构证实了该方法维持形状的潜力,以90度角的L形打印。从肯山(Kenzan)拆除后,该结构能够维护应用设计并承受机械操作,而不管其2厘米平方的总面积如何。

科学家使用7毫米圆形的肯山(Kenzan),能够将构造尺寸提高到6厘米平方的半管形结构,可以用来处理宽阔的弯曲区域,例如pa骨表面。

Bio-3D printer design data and images of the articular surface-shape construct. Image via Biofabrication.
Bio-3D printer design data and images of the articular surface-shape construct. Image via Biofabrication.

通过他们的方法,科学家能够成功地成功地3D打印脚手架,可自我可持续的软骨结构,具有合适的大小和形状,用于修复较大的软骨缺陷。还发现这些构建体的强度几乎等于正常软骨的强度。

这durability of the scientists’ cell-based joint prosthesis will continue to be assessed in future studies, and it is hoped that it will solve the problem of bacterial infection and some risks associated with replacement surgery that conventional joint prostheses have.

但是,他们确实指出,尽管使用IPSC衍生的细胞作为原始材料具有许多好处,但它仍然非常昂贵。因此,他们指出,在他们可以在体外进行更多的时间和耗费的研究之前,对技术的进一步优化和改进将是至关重要的。

有关该研究的更多信息可以在标题为:“ Bio-3D印刷IPSC衍生的人软骨细胞,用于关节软骨再生,”发表在《生物制造杂志》上。这项研究由A. Nakamura,D。Murata,R。Fujimoto,S。Tamaki,S。Nagata,M。Ikeya,J。Toguchida和K. Nakayama合着。

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特色图片显示3D打印过程的示意图。通过生物制造图像。