使用3D打印技术创建生物功能组织

医学的未来是生物学的 - 科学家希望我们很快将使用3D打印的生物功能组织来代替体内不可修复的受损组织。来自弗劳恩霍夫界面工程和生物技术研究所的研究人员IGB多年来一直与斯图加特大学合作开发和优化用于增材制造的合适生物材料项目。通过改变生物材料的成分，研究人员已经成功地扩大了他们的产品组合，包括骨和血管化油墨。这为制造以毛细管网络为特征的骨样组织结构奠定了基础。

3D打印不仅在制造业中占据了一席之地 - 它在再生医学领域也越来越重要。科学家们现在希望使用这种增材制造方法来制造定制的生物相容性组织支架，以替代不可修复的受损组织。斯图加特Fraunhofer IGB的一个研究小组正在研究生物基油墨，用于在实验室中使用3D打印技术制造生物植入物。为了以期望的预编程形状创建3D对象，该团队利用逐层方法来印刷包含生物聚合物(例如明胶或透明质酸，水性介质和活细胞)的液体混合物。这些生物油墨在印刷过程中保持粘性状态，然后暴露在紫外光下，使它们交联成称为水凝胶的含水聚合物网络。

有针对性的生物分子化学修饰

科学家可以对生物分子进行化学改性，使得到的凝胶具有不同程度的交联和溶胀性。这使得模仿天然组织的一致性成为可能 - 从用于软骨的较强水凝胶到用于脂肪组织的较软凝胶。也可以对粘度水平进行广泛的调整：“在21摄氏度的室温下，明胶和果冻一样坚固，这对于印刷来说是不利的。为了防止温度依赖性凝胶化并使我们能够处理它而不管温度，我们'掩盖'负责胶凝明胶的生物分子的侧链，“基于粒子的系统和配方组的负责人Achim Weber博士说，他解释了该过程中遇到的一个主要挑战。

另一个挑战是明胶必须进行化学交联以防止其在约37度的温度下液化。为实现这一目标，它被功能化了两次：在这种情况下，研究团队选择将可交联的甲基丙烯酰基团整合到生物分子中，从而取代非交联的掩蔽乙酰基的各个部分 - 这是生物打印领域的独特方法。“我们为不同细胞类型和组织结构提供调整条件的油墨，”负责斯图加特生物打印项目的Kirsten Borchers博士说。

该团队与斯图加特大学合作，最近成功创造了两种不同的水凝胶环境：具有矿物成分的较硬凝胶以迎合骨细胞，而较软的凝胶不含矿物成分，使血管细胞自身形成毛细血管状结构。

骨和血管化油墨

研究人员已经成功地根据他们创造的材料套件生产骨墨水。他们的目标是使试剂盒中加工的细胞能够再生原始组织，换言之，自身形成骨组织。制造墨水的秘诀在于骨矿物质羟基磷灰石和生物分子的特殊混合物。“细胞的最佳人工环境是最接近体内自然条件的环境。这就是为什么组织基质在我们的印刷组织中的作用是由我们从天然组织基质中产生的生物材料发挥作用的原因，”科学家。

血管形成墨水形成支持毛细结构建立的软凝胶。形成血管的细胞被掺入油墨中。细胞移动，相互迁移并形成由小管状结构组成的毛细管网络系统。如果要植入这种骨替代物，生物植入物将比没有毛细管样前结构的植入物更快地连接到受体的血管系统，如相关文献中所详述。“如果没有血管化墨水，可能无法成功地3D打印更大的组织结构，”Weber说。

斯图加特团队的最新研究项目涉及开发基质以再生软骨。“无论我们从身体组织中分离出什么类型的细胞并在实验室中繁殖，我们必须创造一个合适的环境，让他们能够在更长的时间内完成特定的功能，”该团队的生物工程师Lisa Rebers解释道。

Fraunhofer IGB继续在斯图加特的大众个性化高性能中心开展研究工作，作为与弗劳恩霍夫制造工程和自动化研究所以及斯图加特大学的联合计划的一部分。Additive4Life跨学科工作组负责为生物打印创造新技术和可印刷生物材料。