“窃取自然”的生物制造方法用于多组织再生

3 d打印技术平台

溶剂型3D打印机上的打印机头,用针一层一层地沉积所述功能化聚合物油墨。溶剂蒸发,留下固体3d打印聚合物纤维。资料来源:里海大学/斯蒂芬妮·Veto

利哈伊大学的Lesley Chow和她的团队展示了一种新的3D打印平台来制造多组分支架,这种支架“从自然中窃取”来工程组织,像自然组织一样组织。

器官、肌肉和骨骼是由多种类型的细胞和组织组成的,这些细胞和组织被精心组织以执行特定的功能。例如,肾脏能够过滤血液中的废物是因为它们特殊的细胞和组织的排列方式。破坏这个组织会极大地影响细胞和组织的有效工作。

另一个例子是关节软骨,它存在于骨头的连接处。这种类型的软骨提供了一种缓冲材料来保护骨的末端,并通过一个称为骨-软骨界面的梯度区域与骨紧密结合,骨-软骨界面指的是与骨相关,软骨-软骨相关。当关节软骨缺失或受损时,就会产生衰弱性疼痛。

与某些组织不同,软骨不能再生。它缺乏血管来支持这种修复。受伤或损伤后,软骨退化会发展,导致骨关节炎,影响着大约2700万美国人。

“医学干预是再生骨软骨组织的唯一途径,”材料科学与工程和生物工程助理教授Lesley Chow说。“为了成功再生这个软骨并使其具有功能,我们必须考虑到功能与软骨和骨骼都有关系。如果软骨没有良好的固定,那就没有意义了。你可以让漂亮的软骨再生,但如果不是紧贴在下面的骨头上,它就无法持久。”

这提出了一个巨大的工程挑战,周说,因为很难创造一个由两个非常不同的组织组成的器官。她说,我们需要的是一种组织工程方法,这种方法要尊重组织在自然界形成的多成分和组织性质,“然后我们就有能力创造出耐用的东西。”

3D打印机打印可生物降解聚合物支架

溶剂铸造3D打印机打印可生物降解聚合物基支架。包含功能化聚合物的油墨是3D打印的,以控制空间沉积的不同生物活性化学和结构在同一结构。这使得Chow实验室能够模拟本地组织的组成和结构,以指导局部和整体的细胞行为和组织形成。资料来源:里海大学/斯蒂芬妮·Veto

周星驰在应对这一挑战方面迈出了重要一步。她和她在里海大学周氏实验室的团队展示了一种制造支架的新方法,这种支架提供空间组织的线索,在一种材料内局部控制细胞行为。他们的概念验证论文发表在生物材料科学,被称为:“3D打印与肽聚合物缀合物单步制造空间功能化支架。”这项工作由里海大学的研究生Paula Camacho(生物工程)和Hafiz Busari(材料科学和工程)领导,共同作者Kelly Seims(材料科学和工程),Peter Schwarzenberg(机械工程和力学)和Hannah L. Dailey,机械工程和力学的助理教授里海大学。他们的发表展示了如何使用他们的平台来创建连续的、高度组织的支架来再生两种不同的组织,比如骨软骨界面中的组织。

Chow的实验室创造了生物材料支架,由生物可降解聚合物制成,这种聚合物是长链分子,可以在体内随时间降解。在组织工程中,支架被广泛用于为细胞提供结构支持,以及“告诉”细胞成为哪种细胞或形成何种组织的化学线索。用于组织再生的早期阶段,支架被设计为植入体内,然后降解为新的组织形式。

Chow的团队使用3D打印技术来控制不同材料组成的“墨水”的沉积。这些油墨是由可生物降解聚合物与多肽改性聚合物混合制备的。肽,由


Amino acids are a set of organic compounds used to build proteins. There are about 500 naturally occurring known amino acids, though only 20 appear in the genetic code. Proteins consist of one or more chains of amino acids called polypeptides. The sequence of the amino acid chain causes the polypeptide to fold into a shape that is biologically active. The amino acid sequences of proteins are encoded in the genes. Nine proteinogenic amino acids are called "essential" for humans because they cannot be produced from other compounds by the human body and so must be taken in as food.
" class="glossaryLink ">氨基酸,为细胞提供生物活性线索。

“我们从文学和自然中知道什么是氨基我们想要的序列,”Chow说。他说:“我们可以取一个已知的片段,它在告诉细胞生长新组织方面起着特殊而重要的作用,从某种意义上说,我们可以从自然中窃取。我们取一个肽,把它附着在聚合物上,然后在我们构建支架的时候把它加进去。我们使用3D打印技术来控制这些肽功能化聚合物的组织以及支架的结构。”

一旦该团队制造了这种支架,他们就会在其中“播种”细胞,比如人类间充质干细胞,这些细胞可以被诱导对肽做出反应,变成不同的细胞类型。

正如Chow解释的那样,改变支架的属性仅仅是改变装入打印机的油墨。该团队可以修改肽的浓度和位置,他们可以做到这一点,与一种以上的墨水组成。

可生物降解聚合物基支架


利用周氏实验室开发的溶剂浇铸3D打印平台,将生物可降解聚合物支架制作成5毫米厚的结构。这些支架可以按比例放大,以达到临床转化的相关尺寸。资料来源:里海大学/斯蒂芬妮·Veto

“我们正在做的是创造一个环境,在一个支架中同时促进两个不同组织的再生,”Chow说。“我们制作了一个有正确线索的支架- - - - - -一个促进软骨,一个促进骨骼- - - - - -所有这些都在一种材料中。然后你就有了一个单独的支架,你不必担心界面上的机械故障,因为你有一个单一的材料,而不是“粘”两个单独的支架在一起,然后只希望最好的。

在本文中,作者用两种非常熟悉的肽证明了他们的方法的有效性。他们描述了肽修饰聚合物缀合物是如何与细胞粘附基序RGDS或其阴性对照RGES合成的。为了演示肽功能化的空间控制,使用多个打印机头以交替模式将两个缀合物打印到同一结构中。与叠氮化物聚合物共轭纤维相比,细胞更倾向于在生物素聚合物共轭纤维上粘附和扩散。这说明了空间肽功能化如何影响单个生物材料的局部细胞行为。这种优先附着表明,该技术具有创造支架的真正潜力,使科学家能够指导“细胞将粘附在哪里”。

据Chow说,大多数支架制造技术都涉及到创建后的修饰,这可能会导致不必要的结果,比如化学物质在均匀浓度下的分布。然而,原生组织不是这样组织的。

“我们的平台旨在真正控制细胞如何自我排列,”Chow说。“这就像建一个房子,然后看看哪个房间最喜欢。我们发现细胞真的注意到了。他们注意到两种不同的线索。他们会注意到线索是否有组织。”

卡马乔补充说:“对我们来说,有精确的控制来让细胞做我们想让它们做的事情是非常重要的。”

我们相信,这为生成多功能生物材料提供了一个多功能平台,可以模拟原生组织中的生化组织,以支持功能再生。

——莱斯利的食物

卡马乔目前的项目之一是应用该团队的支架生物制造平台,以工程骨软骨组织形成。卡马乔和她的同事们在恒温箱中培养细胞种子支架- - - - - -(98.6华氏度),含有5%的二氧化碳,以模拟人体内部的条件。他们评估组织形式的类型以及细胞在不同时间点的行为。这让他们得以一窥哪些支架最有可能成功。

“现在我正在测试两种不同的缩氨酸,”卡马乔说。“一种是诱导人类间充质干细胞分化为软骨细胞,或软骨细胞。另一种肽试图让它们分化成骨骼。我用一个或两个以不同方式组织的肽来构建这些支架。我想看看细胞对它的反应- - - - - -如果他们更喜欢其中一个。我描述了他们在文化中长达42天的工作。”

里海大学周氏实验室

周氏实验室是一个多学科实验室,专注于开发组织工程的模块化生物材料。图(从左至右):Paula Camacho(博士研究生,BIOE), Sarah Boyer (20 MSE), Sareena Karim (22 BIOE), Lesley Chow, Nicole Malofsky(硕士研究生,BIOE;' 19 BIOE, Kelly Seims(博士研究生,MSE;' 18 BIOE), John Tolbert(博士研究生,PSE;' 18 MSE),戴安娜·汉默斯通(' 20 MSE),凯文·金(' 20 BIOE)。图中没有:马修·菲诺(Matthew Fainor,《20个想法》)和利比·安德鲁斯(Libby Andrews,《21个BIOS》)

虽然该团队正在进行一些具体的项目,包括骨软骨工作,但他们的目标是让其他研究人员能够使用这个平台,并最终帮助该领域向前发展。

“我们相信,这为生成多功能生物材料提供了一个多功能平台,可以模拟原生组织中的生化组织,以支持功能再生,”Chow说。

这项工作部分得到了里海学院研究基金(FRG)和合作研究机会基金(CORE)的支持,该基金由宾夕法尼亚州联邦社区和经济发展部的Polysciences, Inc.通过宾夕法尼亚州基础设施技术联盟(PITA)提供,以及从利哈伊大学