中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

Dedicated to design & manufacturing for medical device

August 31-September 2 2022 | SWEECC H1&H2

【专题集锦】用于骨和软骨再生的生物3D打印研究

2021-12-21

1. 多尺度3D打印增强水凝胶-陶瓷支架
简介:Utrecht University的Paweena Diloksumpan团队结合近场直写和水凝胶挤出打印技术,将生物陶瓷墨水采用挤出打印制造成软骨下骨替代物,然后采用近场直写来制备聚合物网格,并将载细胞的GelMA嵌入网格中作为软骨成分。该研究所用的材料和复合结构不会影响细胞的存活,这使其在骨和软骨修复中具有广泛的应用前景。相关论文“Combiningmulti-scale 3D printing technologies to engineer reinforced hydrogel-ceramic interfaces”发表在Biofabrication杂志上。


2. 基于DLP三维打印技术构建用于骨再生的哈弗斯类支架
简介:中国科学院上海硅酸盐研究所的吴成铁教授团队基于DLP的三维打印技术成功地制备了具有完整层次化哈弗斯骨结构的仿生骨支架,并且通过改变哈弗斯仿骨结构的参数,达到更好地控制支架的抗压强度和孔隙率的目的。并在体外诱导成骨、血管生成和神经源性分化,促进体内血管生长和新骨形成上验证了其多细胞输送能力。相关论文“3D printing of Haversian bone–mimickingscaffolds for multicellular delivery in bone regeneratio”发表在Science Advances杂志上。


3. AHM:基于GelMA/自体骨颗粒复合生物墨水的3D打印支架
简介:The University of Queensland的Cedryck Vaquette博士联合The Queensland University of Technology 的YinXiao教授团队利用生物3D打印技术制备了包含患者自体骨颗粒(BPs)的GelMA生物墨水,并确定了适宜的打印窗口。然后对复合生物墨水进行了包括流变分析、机械性能评估等在内的一系列评估。最后通过对复合生物墨水打印的支架中细胞的形态、增殖与迁移能力以及成骨分化能力的观察,对GelMA/BPs复合生物墨水进行了生物学评价。这项研究表明,负载了患者自体BPs的复合生物墨水可以成功地进行生物打印,并制备出具有相关生物功能的骨组织支架,是骨再生个体化治疗的潜在候选方案,在开发个性化骨再生策略上具有很大的潜力。在Advanced Healthcare Materials杂志上发表了题为Patient-Specific Bone Particles Bioprinting for Bone Tissue Engineering的文章。


4. 负载MOF的3D打印多孔复合支架用于骨缺损修复
简介:四川大学万乾炳、王剑教授团队制备了负载纳米级ZIF-8(一种MOF材料)的3D打印多孔复合支架,研究了复合支架的机械性能、生物相容性及体内外成骨性能,证明了其用于骨缺损修复的可行性。相关论文“3D printing ofmetal–organic framework incorporated porous scaffolds to promote osteogenic differentiation and bone regeneration”发表于杂志Nanoscale上。


5. 用于软骨再生的GelMA/HAMA复合3D打印冻干支架
简介:上海交通大学医学院的周广东教授团队将GelMA和HAMA制备成复合光交联水凝胶,采用3D打印技术,实现外部3D形状和内部孔结构上的精确控制,使用冻干技术进一步提高机械性能和延长降解时间。实验结果显示支架与软骨细胞结合成功再生了具有典型陷窝结构和软骨特异性细胞外基质的成熟软骨。该研究一系列优化支架制造策略,精确地控制结构、降解速率和力学性能,为软骨再生提供了一种新型的天然生物降解支架。相关论文“Lyophilized Scaffolds Fabricated from 3D-Printed Photocurable Natural Hydrogel for Cartilage Regeneration”发表于杂志ACS Applied. Materials. Interfaces上。


6. 利用悬浮支撑打印的类软骨组织
简介:哈佛大学医学院的SuRyon Shin团队利用悬浮3D打印技术,打印细胞微球,制造类软骨组织。结果显示,用此方法制造出来的类软骨组织中的干细胞向软骨细胞分化,并表现出类软骨行为;相对于传统培养方式,打印出的组织结构中的细胞外基质沉积有明显的提升,因此,这种类软骨制造方法有助于软骨置换和再生的临床进一步发展。相关论文“3D Printed Cartilage-Like Tissue Constructs with Spatially Controlled Mechanical Properties”发表于杂志Advanced Functional Materials上。


7. 生物3D打印具有嗅觉和成软骨潜力的生物鼻子
简介:哈佛大学医学院的SuRyon Shin团队开发出一种负载软骨细胞的生物3D打印软骨样结构并带有电子嗅觉模拟生物传感器的混合装置。该多材料打印结构的多个软骨层促进软骨细胞粘附,多个刚性层提高机械性能。因此,形成一个机械稳定、生物相容的三维微环境,以支持软骨细胞的生长和分化,从而允许鼻软骨组织的形成。该系统可通过进一步调整来检测各种天然气味、化学结构和疾病生物标志物。这款混合设备为3D打印的软骨样组织和集成的增强电子嗅觉系统奠定了基础,该系统最终可能成为可行的人形半机械人鼻器官奠定基础。相关论文“A 3D‐Printed Hybrid Nasal Cartilage with Functional Electronic Olfaction”发表于杂志Advance Science上。


8. DLP打印光固化丝素蛋白墨水促进软骨生成
简介:Hallym University的Chan Hum Park和Wake Forest University的Sang Jin Lee团队合成了一种可用于光固化打印的甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝素蛋白(Sil-MA)。研究表明,Sil-MA具有天然软骨相匹配的机械性能、优秀的载细胞DLP打印性能以及促进成软骨的生物性能。相关论文“Precisely printable and biocompatiblesilk fibroin bioink for digital light processing 3D printing”和“Digital light processing 3D printed silk fibroin hydrogel for cartilage tissue engineering”分别发表于杂志Nature Communications 和 Biomaterials上。


9. 基于GelMA双层网络载细胞混合打印软骨组织移植物
简介:University of Maryland的John P. Fisher团队提出了一种新颖的双重生物墨水3D打印策略。该策略利用不可降解和可生物降解水凝胶的优势来创造具有长期形状和体积保留的仿生构造。这种打印方法可以精确地沉积水凝胶纤维,在功能上相互补充,形状和体积长期保留的仿生复杂软骨组织,例如鼻子,耳朵和甲状腺软骨。相关论文“Hybrid 3D Printing of Synthetic and Cell-Laden Bioinks for Shape Retaining Soft Tissue Grafts”发表于杂志Advanced Functional Materials上。


10. 用于软骨修复的手持式原位生物3D打印装置
简介:University of Wollongong的Gordon GWallace团队在Biofabrication杂志上发表的“Development of theBiopen: a handheld device for surgical printing of adipose stem cells at a chondral wound site”文章中,研究人员开发了一种称为“Biopen”的适用于手术室中的手持式原位生物打印装置,该装置能够以直接写入的方式打印活细胞和GelMA/HAMA生物墨水。相比于全自动的生物打印机相比,该制造方法具有可手动使用、结构小巧灵活便于无菌操作及具有很好的生物相容性等优点,非常适合应用于软骨修复的临床操作中。


11. Advanced Healthcare Materials:区域分层人工软骨的生物3D打印
简介:哈尔滨工业大学吴洋助理教授与The Pennsylvania State University的Ibrahim Ozbolat教授团队在Advanced Healthcare Materials杂志上发表了题为“Hybrid Bioprinting of Zonally Stratified Human Articular Cartilage Using Scaffold‐Free Tissue Strands as Building Blocks”的文章,该研究利用由人脂肪干细胞分化而来的软骨细胞制备组织束作为生物打印的墨水构建了一种区域分层人工软骨。组织束仅由密集排列的细胞及基质组成,不含生物材料,并且具有良好的打印性能与机械稳定性,可快速自融合成大尺寸的组织。


12. 基于半月板脱细胞基质的生物墨水修复半月板
简介:来自Pohang University of Science and Technology的Dong Woo Cho团队在Biomaterials上发表了题为“3D cell-printing of biocompatible and functional meniscus constructs using meniscus-derived bioink”的文章,该研究将聚氨酯-聚己内酯(PU-PCL)聚合物与载细胞的半月板脱细胞基质(me-dECM)生物墨水结合,利用挤出式生物3D打印技术制备了支架,来评估其半月板修复作用。


13. 近场直写打印水凝胶复合结构诱导软骨再生
简介:上海交通大学戴尅戎院士团队受细胞外基质(ECM)组成的梯度和原生骨软骨组织中的胶原纤维结构的启发,设计并利用近场直写技术制造了三层:浅表软骨(S),深软骨(D),和软骨下骨(B)的PCEC分层支架,并在其中填充含有间充质干细胞(MSC)的甲基丙烯酰胺(GelMA)水凝胶与区域特异性生长因子。复合支架在体内同时实现软骨和软骨下骨再生,证明仿生构建模拟自然骨软骨组织的空间变化,并以增强骨软骨组织再生的可行性,相关研究成果“Bioinspired stratified electrowritten fiber-reinforced hydrogel constructs with layer-specific induction capacity for functional osteochondral regeneration”发表于Biomaterials上。


14. AHM:分层特异性释放干细胞分化诱导物的仿生双相骨软骨支架用于骨软骨缺损的修复
简介:来自华南理工大学生物医学科学与工程学院的XuetaoShi团队在Advanced Healthcare Materials上发表了题为“A Biomimetic Biphasic Osteochondral Scaffold with Layer-Specific Release of Stem Cell Differentiation Inducers for the Reconstruction of Osteochondral Defects”的文章,制备了一种仿生双相骨软骨支架(BBOS),用于骨软骨缺损的修复。


15. 仿生半月板支架的3D生物打印
简介:解放军总医院骨科研究所的郭全义团队在Bioactive Materials上发表了题为“3D bioprinting of a biomimetic meniscal scaffold for application in tissue engineering”的文章,该研究通过使用双喷头挤出式生物3D打印技术,将聚己内酯(PCL)与GelMA-半月板细胞外基质(MECM)混合的生物墨水结合,制备了一种新型的仿生半月板支架。利用该方法制造出的半月板与原生的半月板相似,提高了仿生半月板支架在组织工程中的应用水平和效率,为半月板修复提供了新的思路。


16. 3D打印用于骨再生的具有分层多孔结构的羟基磷灰石/磷酸三钙支架
简介:University of Southern California的Yong Chen等人开发了基于浆料的微型掩模图像投影立体光刻技术来获得具有复杂几何形状(包括仿生特征和分层多孔性)的基于HA/ TCP的光固化悬液,并研究了HA/ TCP悬液的固化性能和物理特性,开发了用于制造高粘度HA/ TCP悬液的圆周运动工艺。该研究也进行了体外细胞增殖实验,并在具有颅神经嵴细胞和骨髓间充质干细胞的长骨的裸鼠体内模型中进行了手术。结果表明,具有仿生分层结构的3D打印的HA / TCP支架是生物相容的,且具有足够用于手术的机械强度。相关文章“3D printing of hydroxyapatite/tricalcium phosphate scaffold with hierarchical porous structure for bone regeneration”发表在Bio-Designand Manufacturing杂志上。


17. 细胞悬液中打印陶瓷,模拟活性骨骼
简介:The University of New South Wales的Kristopher Alan Kilian教授和Iman Roohani博士合作利用化学稳定的明胶微球作为支撑浴,悬浮打印了模拟骨结构,此过程不存在刺激性化学物质、辐射或是任何后处理。该技术能够打印复杂的、生理相关的结构,而不需要牺牲支撑材料,当场成型且无需费力的后处理步骤。相关研究以题为“Synthetic Bone-Like Structures Through Omnidirectional Ceramic Bioprintingin Cell Suspensions”发表于Advanced Functional Materials杂志,


18. 利用可光交联的纳米墨水打印生物活性支架
简介:香港理工大学的Xin Zhao、新加坡国立大学的Jerry Fuh和南京医科大学附属苏州医院Yuefeng Hao合作提出了一种新型可光交联纳米复合墨水。该纳米复合墨水可与周围的聚合物基质共价交联,以进一步增加它们之间的界面键合。其具有优异的力学性能以及易于调节的流变性质,润湿性,降解性和可打印性,同时具备良好的体外和体内的成骨能力,在3D打印骨移植物中具有广阔的应用前景。相关论文“Photocrosslinkable nanocomposite ink for printing strong, biodegradable and bioactive bone graft”发表在Biomaterials杂志上。


19. Nature子刊: 3D打印可被超声激振的生物支架加速骨再生
简介:荷兰马斯特里赫特大学梅林技术启发再生医学研究所的Lorenzo Moroni教授团队提出了一种3D打印的动态双面支架,该支架可用外部超声波激活纳米振动,并传递到周围的细胞,调控细胞功能性表达,从而实现骨再生,相关工作“Janus 3D printed dynamic scaffolds for nanovibration-driven bone regeneration” 发表在Nature Communication杂志上。


20. PCL/丝素蛋白/Sr2+支架促进全半月板再生
简介:中国人民解放军总医院的郭全义教授团队和来自北京大学的成艳教授团队合作,在Acta Biomaterialia上发表了题为“Cell-free 3D wet-electrospun PCL/silk fibroin/Sr2+ scaffold promotes successful total meniscus regeneration in a rabbit model”的文章,通过将力学性能和生物相容性好的丝素蛋白与Ɛ-聚己内酯复合,以Sr2+为生物活性因子,制备了半月板支架(SP-Sr)。采用湿法电纺法制备的半月板支架具有合适的孔径和足够的机械支撑力,通过一系列材料表征测试和体外细胞研究,证明了无细胞三维电纺PCL/丝素蛋白/Sr2+支架具有保护软骨、延缓骨关节炎发展的作用。


21. 负载PRP的水凝胶支架用于骨软骨修复
简介:浙大二院严世贵教授、颜瑞建医师团队与EFL团队合作,构建PRP-GelMA水凝胶复合支架,并用于骨软骨损伤修复。通过长达18周的动物体内实验发现,该复合支架能够在长时间内(18周)有效促进骨软骨修复,并调节修复部位周围免疫细胞向有利于组织修复的亚型极化。相关工作以“A 3D-printed PRP-GelMA hydrogel promotes osteochondral regeneration through M2 macrophage polarization in a rabbit model”发表于Acta Biomaterialia杂志上。


来源:EngineeringForLife