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使用新生物材料的3D列印

新列印材開發,有望對列印軟骨帶來突破? Credit: Subhashish Panigrahi@wikipedia CC BY-SA 3.0

軟骨不能自我修復

年紀大要照顧膝關節。你可能聽到長輩在年紀大後,走路膝關節疼痛,不少人以吃營養品或者接受建議開刀來解決問題。這背後就是膝關節內,提供動作時緩衝的半月板受損,可能是人類膝關節內的半月板軟骨,因為長久使用磨耗,或者任何生物力學上的不平衡;也可能是其他全身性疾病、先天半月板受損,也有一說是其真正的原因不明。軟骨這種組織相當特別,內部沒有血管,只由一種細胞組成,損害後不會自我修補。因此,除了開刀做膝關節置換,科學家一直希望可以體外再生軟骨組織,修補受損的半月板。

水凝膠材料的缺點

這個想法在3D生物列印開始後,不少科學家嘗試用水凝膠材料(聚合物加上90%的水)混入生物細胞,以列印的方式,列印出想要的形狀,之後讓水凝膠自動分解,留下生物細胞,這時候的水凝膠就如同支架一般,撐起整個結構,也因為3D列印,可以設定想要的列印形狀。然而,你或許不知道,水凝膠的存在,某種程度上限制了生物細胞彼此間的結合,整體結構因此相對較弱;另外水凝膠在分解的時候,也可能釋放有毒物質。除了水凝膠外,還有什麼方法可以開發給生物3D列印用的「生物細胞」材料呢?

新式軟骨列印技術

既然談到3D列印,讓我們先想想一般非生物列印的3D印表機線材。常見的「熱熔解擠壓技術」(Fused Deposition Modeling,FDM),其列印材質為塑料,是一綑綑的線材,經過熱設備熔解材料後,再以擠壓方式列印出來。生物細胞能有這樣的「線材」嗎? 美國「賓州大學」(Pennsylvania State University)以這種架構,取用海藻酸鈉,將其製成管徑極小,大約只有0.03到0.05英吋直徑的圓管,讓軟骨細胞在管內生長,等約一週細胞長好之後,因為細胞和海藻不會沾黏,就可將細胞「條」取出,接下來以特製的3D生物列印噴嘴,將軟骨組織列印出來,經半小時左右讓細胞彼此接合,再移到培養液中繼續培養。如此,不用再擔心水凝膠分解可能釋放的有毒物質,同時,這整個線材可以依據需要生產;進一步考慮病患的排斥問題,以後可採取原患者的軟骨細胞,便於進行培養線材。

天然的還是最好

這種方式列印的軟骨,也不是沒有缺點。畢竟天然的軟骨在生長時,會因承載重量而受到刺激,因此較為密實,結構較好。這種方式3D列印的軟骨,雖然已經和牛隻的軟骨結構差不多,但是仍不如天然軟骨來的強壯;若是和現有的水凝膠方法列印的軟骨比較,這種以線材方式列印的方式,結構是較為緊實的。未來,如何讓細胞生長和黏合時,能有效承重來刺激生長,將為另一個課題。

文章參考:The Pennsylvania State University
影片來源:Penn State University
圖片來源:Subhashish Panigrahi@vi.wikipedia.org/wiki CC BY-SA 3.0


作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。