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3D打印技术如何助力改善人类健康?

来源:本站原创 2019-05-21 22:51

近年来,3D打印技术显著推动了医学研究领域的发展,本文中,小编整理了近年来相关研究成果,共同解析科学家们如何利用3D打印技术来改善人类的健康,分享给大家!

【1】FASEB J:静态磁场可以促进3D打印的钛支架介导的骨修复

doi:10.1096/fj.201802195R

自从2016年发现3D打印(3DP)的多孔钛支架以来,科学界一直在探索提高它们刺激骨生成或者骨重塑能力的方法。近日一项发表在《The FASEB Journal》上的文章发现使用静态磁场(Static Magnetic Field,SMF)刺激3DP支架可以在体内外激活人骨来源的间充质干细胞(human bone-derived mesenchymal stem cells,hBMSCs)的成骨潜力。

创伤、肿瘤及感染导致的大骨缺陷的重建仍然是骨科医生面临的巨大挑战之一。”研究人员使用hBMSCs和动物模型进行了相关实验。他们将hBMSCs植入到3DP支架表面之后,将细胞分为了4组,第一组作为对照组。随后他们将剩下的三组分别暴露在磁场强度为50、100、150毫特斯拉(milliTesla,mT)的磁场中,并在接下来14天持续观察这些细胞。研究人员发现SMF刺激的细胞成骨潜力显著高于对照组。此外,研究人员还发现磁场强度越大,成骨能力越强。

【2】JCCT:3D打印有助于预测心脏瓣膜的泄漏

doi:10.1016/j.jcct.2018.09.007

在美国,超过八分之一的75岁及以上的人在心脏中发生中度至重度的主动脉阻塞,通常是由于瓣膜小叶上积聚的钙化沉积物造成的,并阻止它们完全打开和关闭。许多这些老年患者的健康状况不足以进行心脏直视手术;相反,他们使用称为经导管主动脉瓣置换术(TAVR)的手术将人工瓣膜植入其心脏,该手术通过插入主动脉的导管展开瓣膜。然而,这个过程存在挑战,包括需要选择完美尺寸的心脏瓣膜,而不是真正看病人的心脏:太小,瓣膜可能会在边缘移动或泄漏;太大了,阀门可以撕裂心脏,带来死亡的危险。因此,心脏病专家一直试图寻找一种“恰到好处”的TAVR瓣膜尺寸。

哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究人员创造了一种新颖的3D打印工作流程,允许心脏病专家在实际执行医疗程序之前评估不同瓣膜尺寸与每位患者独特解剖结构的相互作用。该协议使用CT扫描数据生成个体患者主动脉瓣的物理模型,此外还有“sizer”装置以确定完美的替换瓣膜尺寸。

【3】Cell System:3D打印技术改变筛选抗生素的方法

doi:10.1016/j.cels.2018.07.004

最近,来自麦克马斯特大学实验室开发的一个“小型黑盒子”可以改变科学家寻找新抗生素的方式。印刷荧光成像盒(简称PFIbox)能够收集大量数据,这将有助于Michael G. DeGroote传染病研究所的研究人员寻求发现新的抗生素。该盒子允许科学家一次分析超过6,000个细菌样本。

从原理上来讲,该工具使用LED灯激发细菌中的荧光蛋白。然后,它将数据无线发送给研究人员,研究细胞随时间对抗生素的反应。PFIbox的九个结构部件可以在大约一天内进行3D打印,在几分钟内拼接在一起,成本约为200美元。

【4】Arch Toxicol:干细胞+3D打印,可用于肝脏移植

doi:10.1007/s00204-018-2280-2

来自爱丁堡大学医学研究委员会(MRC)再生医学中心的科学家结合干细胞技术与3D打印技术,成功培育出了人源3D肝脏组织,并且在小鼠水平显示出治疗的潜力。

科学家表示,除了为开发人体肝脏组织植入物方面进行早期的探索,这一研究还可以通过搭建平台来研究人类肝脏疾病以及实验室中的测试药物的药效,从而减少对动物研究的需求。在这项发表在《Archives of Toxicology》杂志上的研究中,科学家们采集了人类胚胎干细胞并诱导形成多能干细胞(已被诱导转变为干细胞的成体细胞),通过定向诱导形成为肝细胞。

【5】Adv Materials:3D打印生物工程化血管研究新突破

doi:10.1002/adma.201706913

最近来自BWH的研究者们开发出了一种新型的维管结构制备方法,能够得到更符合生理要求的血管。这种3D打印技术能够精细模仿组织的生理特性,例如细胞的成熟以及能否运输营养物质等。这一技术将能够被用于进行受损组织的置换。相关结果发表在最近一期的《Advanced Materials》杂志上。

许多疾病都会造成管道组织的损伤,例如动脉炎、动脉粥样硬化以及血栓等。此外,泌尿组织也会因为炎症反应产生损伤。为了制备3D组织材料,研究者们将人体细胞与水溶胶进行混合,水溶胶的化学性质经过了反复的摸索,使其能够允许细胞的增殖。之后,研究者们将这些混合好的材料注入管道组织3D打印系统,并且通过程序设置使其能够连续打印三层。当管道打印完毕之后,研究者们经过其它方法验证了其能够允许营养物质穿透的特性。

【6】Nat Biomed Eng:科学家开发出可促进血管生长的新型3D打印斑块结构

doi:10.1038/s41551-017-0083

当变窄、变硬或变堵塞的血管无法持续向组织供养时就会引发缺血发生,通常就会诱发心脏病发作、中风、坏疽和其它严重的疾病;外科手术通常能够纠正大型血管中的问题,在血管中进行的疗法往往非常复杂;如今来自布莱根妇女医院的研究人员开发了一种新方法,利用3D打印斑块灌入细胞就能够有效促进健康血管的生长。

相关研究刊登于国际杂志Nature Biomedical Engineering上,研究者所开发的这种斑块在促进新生血管生长的同时,还能够避免其它方法所产生的问题;研究者Chen说道,治疗性血管生成(therapeutic angiogenesis),即通过注射生长因子来促进新血管生长,这是一种治疗缺血发生的潜在实验性技术;但在实际情况下研究者往往无法实现成功使得血液流经新生的血管组织,因此研究人员就想通过更深入的研究来观察是否能够解决这个问题。

【7】Circulation Res:重磅!3D打印补丁或有望修复心脏病患者受损的心脏

doi:10.1161/CIRCRESAHA.116.310277

近日,发表在国际杂志Circulation Research上的一篇研究报告中,来自明尼苏达大学等机构的研究人员通过研究开发出了一种具有革命性的3D生物打印补丁,其能够帮助修复心脏病发作后患者的出现疤痕的心脏组织,该研究对于后效治疗心脏病发作患者机体的组织损伤非常关键。

据美国心脏协会数据显示,心脏病是引发美国人死亡的头号凶手,其每年会引发超过36万人死亡;在心脏病发作期间,患者机体的血流往往不会泵入到心脏肌肉中,从而就会引发心脏细胞死亡;我们的机体无法替换掉这些心肌细胞,因此机体的心脏中就会形成疤痕组织,从而就会使得患者处于心脏功能受损以及未来暴发心力衰竭的风险之中。

【8】ACS子刊:3D打印骨支架帮助了解肿瘤细胞如何增殖

doi:10.1021/acsbiomaterials.6b00641

据美国莱斯大学科学家介绍,借助一种更加高级的支架结构,对骨癌治疗药物的检测将变得更加简单。莱斯大学生物工程学家 Antonios Mikos 带领研究团队进一步改进了他们的3D 打印支架用来研究尤文肉瘤(一种骨癌)细胞如何应对刺激,特别是剪应力,当血液等黏性流体经过骨的时候会对肿瘤造成这种作用力。研究人员发现支架结构(天然的和人造的)对于肿瘤细胞表达帮助肿瘤生长的信号蛋白有实质影响。

支架上孔洞的大小和形状以及支架的多孔性会影响细胞的黏附,改变介质和营养成分的渗透能力,影响细胞迁移。科学家们表示3D 打印技术帮助他们进一步模拟了真正的骨结构。相关研究结果发表在美国化学学会期刊 ACS Biomaterials Science and Engineering 上。

【9】PNAS:利用干细胞定制具有抗炎作用的3D打印软骨

doi:10.1073/pnas.1601639113

为了不用手术就可以治疗磨损发炎的髋关节,科学家们在类似髋关节股骨头的3D支架上诱导干细胞进行编程生长为新的软骨,同时结合基因治疗还可以激活新软骨释放抗炎分子防止关节炎复发。该工作由华盛顿大学医学院的研究人员完成,发表在国际学术期刊PNAS上。

这项技术使用了一种3D可生物降解的合成支架,这种支架可以根据病人关节的准确形状进行定制,再利用病人皮肤下脂肪组织中的干细胞诱导形成软骨,将其覆盖在3D支架上从而获得新的关节软骨。随后将新软骨植入发炎髋关节表面,用活组织重新覆盖髋关节,从而消除关节炎疼痛,延缓甚至消除一些病人对关节替换手术的需要。

除此之外,研究人员还借助基因疗法将一个基因插入到新生的软骨细胞中,再用一种简单药物将其激活,该基因可以促进抗炎分子的释放进而防止关节炎复发。“在有炎症的时候,我们可以给病人一种简单的药物,激活我们植入的基因来降低关节部位的炎症,这样我们就可以在任意时候停止给药来关闭基因的表达。”研究人员这样说道。

【10】Biofabrication:手持式3D“打印笔”可高效打印出人类干细胞

doi:10.1088/1758-5090/8/1/015019

近日,刊登于国际杂志Biofabrication上的一项研究报告中,来自澳大利亚的研究人员通过研究,利用一种手持式的3D打印笔在自由模式下成功绘制出了具有较高生存率的人类干细胞。研究者开发的这种新型设备可以帮助外科医生在手术期间进行个性化的软骨移植。

研究者指出,利用水凝胶式的“生物墨水”来携带并且支持人类干细胞生长,并且利用较低的光源来凝固“生物墨水”这种打印笔运输的干细胞的存活率就会超过97%。而这种新型的3D打印笔同时也为组织工程学研究带来极大帮助,比如其可以逐层打印出细胞,用来构建可供移植的人工组织。(生物谷Bioon.com)

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