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北卡罗来纳州立大学的研究人员开发出一种技术,通过在生物制造过程中使用超声波来对准活细胞来改善工程组织的特征。

宾夕法尼亚州立大学研究小组的研究小组表示,骨骼和软骨等制作组织中的微孔可使营养和氧气扩散到核心,这种新方法最终可能使实验室生长的组织容纳血管。

Thanh Nguyen教授与研究生一起展示了他们开发的材料样本 图源:Thanh Nguyen

我们已经达到了能够通过印刷活细胞来创造医疗产品(如膝盖植入物)的程度,Rohan Shirwaiker说道,他是该工作论文的通讯作者,也是北卡罗来纳州立大学Edward P. Fitts的副教授。工业与系统工程系。但是,一个挑战是组织正在印刷的细胞,以便工程组织更接近地模仿天然组织。

组织制造的一个问题是我们不能使它们的尺寸变大,工程科学和力学副教授Ibrahim T. Ozbolat说。如果养分和氧气无法进入,细胞会死亡。

ued最新官方网址 ,康涅狄格大学的工程师们设计了一种无毒、可生物降解的设备,可以帮助药物从血管进入脑组织——这条路径传统上被人体防御机制阻断。该研究结果发表在《PNAS》上。

我们现在开发了一种技术,称为超声波辅助生物制造(UAB),它允许我们在生物打印过程中将细胞对准三维矩阵。这使我们可以创建膝关节半月板,例如,更多类似于患者的原始半月板。到目前为止,我们已经能够将细胞与一系列工程化的肌肉骨骼组织对齐。

如果引发干细胞分化的化学混合物不能达到它们,那么细胞内部细胞也无法区分。多孔结构允许营养物和其他流体循环。

大脑中的血管由紧密连接在一起的细胞排列而成,形成了所谓的血脑屏障,将细菌和毒素与大脑隔离开来,但这种血脑屏障也会阻碍治疗癌症等脑部疾病的药物。打开这一屏障的安全有效途径是超声波,聚焦在正确位置的超声波可以使血管内壁的细胞振动,足以在血脑屏障中打开短暂的裂纹从而使药物通过。但是,当前的超声技术要做到这一点,需要将多个超声源排列在一个人的头骨周围,然后使用MRI来引导操作超声的人将超声波聚焦在正确的位置,这种方法笨重、困难,而且每次都要服药很昂贵。另一种方式是植入设备,在大脑中局部应用超声,它更加精确和可重复,但是大多数超声换能器包含有毒物质,例如铅,而且使用后必须将其去除,这需要手术因此可能会伤害大脑组织。

为了对准细胞,研究人员建造了一个超声波腔室,允许超声波穿过生物打印机打印活细胞的区域。这些超声波在一个方向上传播,然后被反射回它们的光源,产生驻波超声波。声波有效地将细胞放入行中,这些行与超声波和反射波彼此交叉的区域对齐。

研究人员正在尝试一种新颖的方法,并用微孔创建组织构建块。他们认为这是血管化的替代方案

Nguyen教授的实验室专门研究压电生物材料。压电将物理应变(如弯曲或压缩)转化为电能,反之亦然,是使用电流产生振动的传感器的理想材料。研究人员提出了如何将可生物降解的聚合物聚L-乳酸纺成宽度仅为200纳米、长度为数十至数百微米的微小纳米纤维的方法。当在此纺丝过程中施加高电压时,纤维就会拉伸并对齐,对齐后可以将它们编织成网格。而且,纤维的排列增强了它们的压电响应,从而使纳米纤维PLLA所消耗的电能比常规的聚合物薄膜所产生的电能少得多。这些高度压电的纳米纤维使研究人员能够制造出可生物降解的敏感传感器,该传感器可无线测量器官内压力,还可以充当超声换能器

我们可以通过控制超声波的参数来控制细胞的对准特性,例如频率和振幅,Shirwaiker说。为了证明UAB技术的可行性,研究人员创造了一个膝关节半月板,细胞在半月弧中排列

  • 在组织中培养血管 - 并将结果称为多孔组织链。

具有可控性和出色的压电性能的PLLA纳米纤维,用于可生物降解的植入式压电设备

  • 就像它们在自然半月板中一样。

研究人员开始研究源自人类脂肪的干细胞,并将其与藻酸钠致孔剂混合。海藻酸钠来自海藻,可以印刷成微小的颗粒,当溶解后,在组织的织物中留下微小的孔

毛孔。该团队使用该混合物来3D打印未分化组织的股线。然后,它们可以将这些股线组合在一起形成组织块。

当研究人员将组织暴露于化学混合物时,它会将干细胞转变为特定的细胞,在这种情况下是骨骼或软骨。由于毛孔,流体可以流到所有干细胞。

研究人员在最近一期的生物制造报告中指出,这些股线的孔隙率保持在25%,孔隙连通性达到85%至少三周。

如前所述,通过3D打印彼此相邻和相互叠加的股线,股线自组装形成组织块。

这些贴片可以植入骨骼或软骨中,取决于它们是哪种细胞,Ozbolat说。它们可用于骨关节炎,整形手术的贴片,如鼻中隔的软骨,膝关节修复和其他骨或软骨缺损。

在某些方面,软骨比骨更容易,因为在人体中,软骨没有血管穿过它。然而,一些骨骼是天然多孔的​​,因此孔隙度在更换或修复骨骼方面是有价值的。虽然目前只能制作微小的贴片,但这些贴片比在脚手架上生长人造组织更容易制造。

研究人员正在考虑将相同的方法应用于肌肉,脂肪和其他各种组织。

宾夕法尼亚州立大学的其他研究人员包括杨武,工程科学和力学博士后;Monika Hospodiuk,农业和生物工程研究生;Hemanth Gudapati,工程科学与力学研究生;Thomas Neuberger,高场磁共振成像设备主任;Srinivas Koduru,外科学研究技术专家;和宾夕法尼亚州立癌症研究所外科助理教授Dino J. Ravnic。该项目还有来自中国南昌大学药理学系的访问学者Weijie Peng。

国家科学基金会,中国奖学金委员会和江西省科学技术协会支持这项工作。

PLLA通常用于溶解外科缝合线,是一种非常安全的生物相容性材料。因此,当研究人员将PLLA换能器植入小鼠体内时,发现该传感器是安全生物降解的。最重要的是,该设备可以生成控制良好的超声波,局部打开血脑屏障,从而帮助注入血液的药物进入大脑组织。该超声设备甚至可以充当扬声器以产生可听见的声音或播放音乐。

我们能够控制细胞在整个组织中逐层打印时的排列,Shirwaiker说。我们还展示了以对其他整形外科软组织(如韧带和肌腱)特别重要的方式排列细胞的能力。研究人员还发现超声参数的某些组合导致细胞死亡。

体内实验证明了PLLA纳米纤维换能器在打开血脑屏障和药物递送中的应用

这很重要,因为它让我们清楚地了解了我们可以采取哪些措施来改善组织性能以及我们需要避免什么来保护活细胞,Shirwaiker说。为此,研究人员创建了计算模型,允许用户在开始生物制造过程之前预测任何给定参数集的性能。

这是第一个由普通且安全的医疗材料制成的可生物降解的换能器,研究小组还需要研究如何优化强度,以在血脑屏障中形成良好的裂缝,其宽度足以使大分子药物通过,而又不会损害血管或大脑。而且,要想让这种设备被批准用于人类,还需要在比老鼠大的动物身上进行更长的时间测试。

UAB技术的另一个好处是它相对便宜。

End

设置超声设备需要一次性成本 - 可以使用现成的技术Shirwaiker说。之后,超声波元件的运行成本可以忽略不计。而且UAB技术可以与大多数现有的生物打印技术结合使用。我们正在申请UAB技术,目前正在寻找行业合作伙伴来帮助我们探索商业化,Shirwaiker说。

参考资料:

[1]Biodegradable nanofiber-basedpiezoelectric transducer

[2]Buzzing through the blood-brain barrier

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