多种组织再生的生物制造方法“抢断”

溶剂铸造3D打印机上的打印机头部将官能化聚合物油墨从针头沉积。溶剂蒸发，留下实心3D印刷的聚合物纤维。

器官，肌肉和骨骼由多种类型的细胞和组织组成，这些细胞和组织被仔细组织起来进行特定功能。例如，由于如何安排他们的专用细胞和组织，肾脏能够从血液中过滤废物。扰乱这个组织显着影响细胞和组织如何有效地完成工作。

另一个例子是关节软骨，其中存在骨骼在关节上相遇的地方。这种类型的软骨提供缓冲材料以保护骨骼的末端，并通过称为与骨骼相关的骨质色盲界面的梯度区域紧密地与骨骼集成。当关节软骨不存在或受损时，衰弱的疼痛结果。

与一些组织不同，软骨不能再生。它缺乏血管来支持这种修复。受伤或损伤后，软骨变性进展，导致骨关节炎，影响约2700万美国人。

“医疗干预是重新生成骨质色组织的唯一方法，”材料科学与工程和生物工程助理教授Lesley Chow说。“要成功再生这种软骨并使其功能性，我们必须考虑功能与软骨和骨骼有关的事实。如果软骨没有良好的锚，那就无意义。你可以再生美丽的软骨，但如果它没有锚定在它下面的那座骨头上就不会持续。“

本说明，这提出了巨大的工程挑战，因为难以创建一个由两个非常不同的组织组成的一个器官。所需要的是一种组织工程方法，尊重组织如何形成的多组成部分和组织性质，她表示，补充说：“那么我们有能力创造耐用的东西。”

溶剂铸造3D打印机印刷可生物降解的基于聚合物的支架。含有官能化聚合物的油墨是3D印刷，以控制不同生物活性化学品的空间沉积和相同构建体内的架构。这使得CHOW实验室能够模拟本地组织组合物和结构以引导局部和全球细胞行为和组织形成。

Chow在该领域努力解决了这种挑战的努力。她和她的团队在Lehigh的Chow实验室中展示了一种制造座椅在空间组织的提示中呈现的脚手架来控制一种材料内的细胞行为。他们在生物材料科学中发表的概念证据纸张被称为：“用肽 - 聚合物缀合物的3D印刷用于空间官能化支架的单步制造。”这项工作由Lehigh Guardubets 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），以及Hannah L. Dailey ，Lehigh的机械工程和力学助理教授。他们的出版物显示了他们的平台如何用于创造连续，高度有组织的支架，以再生两个不同的组织，例如在骨科骨笼界面中发现的那些。

Chow的实验室会产生由可生物降解的聚合物制成的生物材料支架，这些聚合物是可以在体内随时间降解的分子长链。支架广泛用于组织工程，以提供具有结构支撑的细胞，以及化学提示，“告诉”细胞是什么类型的细胞成为或组织形成。用于组织再生的早期阶段，设计支架被设计成植入体内，然后作为新的组织形式进行降解。

Chow的团队使用3D打印技术来控制具有不同材料组合物的“油墨”的沉积。通过将可生物降解的聚合物与肽改性的聚合物混合来制备这些油墨。由氨基酸组成的肽向细胞提供生物活性提示。

“我们从文学和自然中知道我们想要的氨基酸序列，”咸。“我们可以采取一段我们知道在讲述细胞生长新组织中并从某种意义地窃取大自然，这是一种细分。我们服用肽并将其贴在聚合物上，并在我们构建脚手架时添加。我们使用3D打印作为控制这些肽官能化聚合物以及脚手架的建筑组织的一种方式。“

一旦球队制造了脚手架，它们就会用细胞“种子”，例如人间充质干细胞，其可以响应肽变成不同的细胞类型。

随着Chow解释，改变脚手架的属性只是改变打印机中加载的墨水的问题。该团队可以修饰肽浓度以及位置，它们可以用多于一种油墨组合物来做到这一点。

使用在CHOW实验室中开发的溶剂铸造3D印刷平台，将可生物降解的聚合物基支架制成5mm厚构建体。这些支架可以缩小尺寸以实现临床翻译的相关尺寸。

“我们正在做的是创造一个环境，以在一个脚手架中同时促进两种不同组织的再生，”咸。“我们制作一个具有正确提示的脚手架 - 一个促进软骨，一个促进骨骼的骨折 - 全部在一种材料中。然后你有一个单一的脚手架，你不必担心界面的机械故障，因为你有一个单一的材料而不是“粘合”两个独立的脚手架，才希望最好的。“

在论文中，作者展示了它们使用两个非常熟悉的肽的方法的有效性。它们描述了如何用细胞粘附基质RGDS或其阴性对照率合成肽改性的聚合物缀合物。为了证明肽官能化的空间控制，使用多个打印头以交替模式以相同的构造将缀合物印刷成相同的构造。与设计的设计，与RGES（叠氮化物） - 聚合物缀合物纤维相比，优先附着并展开RGDS（Biotin） - 聚合物缀合物纤维。这说明了空间肽官能化如何在单一生物材料中影响局部细胞行为。这种优惠附件表明，该技术具有创建脚手架的实际潜力，使科学家能够指导“细胞要粘的地方”。

根据咸，大多数支架制造技术涉及在产生后的修饰，这可能导致不需要的结果，例如均匀浓度的化学品分布。然而，没有这种方式组织本地组织。

“我们的平台旨在真正控制细胞如何安排自己，”咸。“这就像建造房子，然后看到哪个房子最好的房子。我们发现细胞真的注意到了。他们注意到这两个不同的线索。他们注意到提示是否组织或未组织。“

“我们对我们来说是非常重要的控制，使得细胞做我们希望他们做的事情，”加剧了Camacho。

我们认为这提出了一种多功能平台，可以产生多功能生物材料，可以模仿在天然组织中发现的生物化学组织以支持功能再生。

- Lesley Chow.

Camacho目前的项目之一是将团队的脚手架生物破坏平台应用于工程师骨质色组织形成。Camacho和她的同事培养培养箱中的培养箱中的细胞播种的支架，°其用5％°二氧化碳保持在体温（37℃或98.6°F），以模仿人体内部的条件。它们评估什么类型的组织形式以及细胞如何在不同的时间点行事。这为他们提供了一瞥，脚手架最有可能成功。

“现在我正在测试两种不同的肽，”卡马乔说。“一个是将人间充质干细胞哄骗分化为软骨细胞或软骨细胞。而另一个肽试图让它们分为骨骼。我用一种以不同方式组织的一种肽或两种肽构建这些支架。而且我想看看细胞如何对其作出反应 - 如果他们比另一个人更喜欢它。我的表征他们在文化中最多42天做了什么。“

Chow Lab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。图为（l到r）：Paula Camacho（博士生，Bioe），Sarah Boyer（'20 MSE），Sareena Karim（'22 Bioe），Lesley Chow，Nicole Malofsky（Bioe女士;19 Bioe，Kelly Seims（博士生，MSE;'18 Bioe），John Tolbert（博士学位，PSE; '18 MSE），戴安娜·赫克斯通（'20 MSE），Kevin Kim（'20 Bioe）。没有图片：Matthew Fainor（'20想法）和Libby Andrews（'21 BIOS）

虽然该团队正在研究一些特定的项目，但包括截骨工作，他们的目标是让其他研究人员能够使用该平台，并最终能够帮助向前移动。

“我们认为这提出了一个多功能平台，可以产生多功能生物材料，可以模仿原生组织中发现的生物化学组织以支持功能再生，”周。

Lehigh的教师研究授予（FRG）和协作研究机会（CORE）Grant，通过宾夕法尼亚州基础设施技术联盟（PITA ）以及Lehigh大学颁发的初创资金。