賦予新生—為生命帶來新的可能
經(jīng)得起時間考驗的兒科心臟瓣膜生物打印技術(shù)
心臟瓣膜病是一個重要的全球健康問題，影響著數(shù)百萬人，并導(dǎo)致大量心血管相關(guān)死亡。傳統(tǒng)的機械替代品雖然可以挽救生命，但也帶來了一些挑戰(zhàn)，尤其是隨著時間的推移。大多數(shù)機械瓣膜不能隨著患者的身體生長或適應(yīng)，因此需要進(jìn)行多次侵入性手術(shù)。這不僅會帶來固有的風(fēng)險，還會嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。血栓、鈣化和嚴(yán)重炎癥等問題使情況更加復(fù)雜。在兒科病例中，這些挑戰(zhàn)變得更加關(guān)鍵。盡管傳統(tǒng)的解決方案仍然可以挽救生命，但可能會將預(yù)期壽命縮短50%。
Savoji教授、以及他實驗室的博士生Arman Jafari，與蒙特利爾大學(xué)的一個專門團(tuán)隊合作，利用生物打印技術(shù)以及他們的?BIO X6?來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，并開發(fā)了一種生物打印心臟瓣膜置換術(shù)的方法。
Savoji實驗室的創(chuàng)新方法
意識到生物打印的潛力，Savoji實驗室啟動了一項任務(wù)，旨在開發(fā)一種無需支撐浴即可實現(xiàn)高保真打印的材料。通過消除對支撐浴的需求，他們避免了與這種支撐材料的逐批變化相關(guān)的挑戰(zhàn)，并簡化了生物制造過程。這種材料的另一個要求是賦予心臟瓣膜所需的機械性能，即能夠承受血流負(fù)荷并始終如一地恢復(fù)其原始形狀。
Savoji實驗室的突破性解決方案涉及一種由聚乙烯醇（PVA）、明膠（gelatin）和K-卡拉膠（kappa-carrageenan）組成的材料。這種組合提供了一種獨特的混合特性，使其適合于生物打印心臟瓣膜。值得注意的是，該材料可以在印刷前循環(huán)冷凍和解凍，以使其具有支持復(fù)雜印刷的特性，同時賦予細(xì)胞粘附和增殖所需的微結(jié)構(gòu)，確保構(gòu)建體在時間上的穩(wěn)定性和功能性。
為了完善他們的生物墨水配方，Savoji實驗室進(jìn)行了廣泛的測試，涉及材料特性的掃描，如流變特性、微觀結(jié)構(gòu)、機械特性以及溶脹和降解等。借助?BIO X6，他們擁有一個具備所需分辨率和溫度能力的開源系統(tǒng)來進(jìn)行這些實驗。
圖1：配方油墨和水凝膠的可印刷性窗口、流變特性和物理化學(xué)特性。a）可打印性窗口圖顯示了所有配方油墨在25°C、20°C和10°C下的可打印性。b）測量油墨屈服應(yīng)力的應(yīng)力掃描測試：i）P5/G2.5/C2，ii）P5/G2.5/C2.5，iii）P10/G2.5/C2，以及iv）P10/G2.5/C2.5。c）油墨在一定剪切速率范圍內(nèi)的粘度測量顯示剪切變稀行為。d）時間掃描測試顯示儲能模量隨剪切應(yīng)變變化的恢復(fù)行為。e）裸聚合物和P10/G2.5/C2.5復(fù)合物的FTIR光譜顯示了每種聚合物的主要官能團(tuán)以及復(fù)合物中所有這些官能團(tuán)的存在。f）DSC和g）TGA呈現(xiàn)了復(fù)合材料的熱行為。h）XRD用于探索聚合物的結(jié)晶度，表明在復(fù)合材料中，PVA仍然能夠形成結(jié)晶鏈段。
引用：Adv Funct Materials，首次出版：2023年10月10日，DOI：（10.1002/adfm.202305188）
驗證生物墨水的生物相容性
在確定了PVA、凝膠和CG的理想組成后，它們能夠提供高印刷性、限制溶脹，也許最重要的是，具有接近體內(nèi)心臟組織的楊氏模量，從而能夠確定生物相容性。這是通過許多基于細(xì)胞的研究完成的，包括細(xì)胞毒性、血液相容性，以及最后在皮下植入小鼠后的體內(nèi)表現(xiàn)。
經(jīng)過3個月的體內(nèi)實驗，研究小組得出結(jié)論，這種新型生物墨水在小鼠中沒有引起陰性炎癥反應(yīng)，所有9只小鼠都存活了下來。隨后的組織學(xué)評估表明，這些支架促進(jìn)了膠原蛋白的發(fā)育，在4周后增加了25%。研究小組還觀察到，12周后，天然組織開始與外植體融合，這意味著宿主組織接受了它。然而，也許最重要的是，取回的組織沒有顯示出鈣沉積的跡象，這意味著它們避免了鈣化，這是商用心臟瓣膜面臨的最重要問題之一。
探索逼真的3D打印心臟瓣膜的可行性
隨著對材料特性的研究和生物相容性的驗證，該團(tuán)隊將焦點轉(zhuǎn)向了打印逼真的心臟瓣膜的可行性，這種瓣膜能夠應(yīng)對心血管系統(tǒng)等復(fù)雜器官系統(tǒng)的需求。
通過mCT掃描，Savoji教授和他的團(tuán)隊能夠創(chuàng)建與生理相關(guān)的3D模型，這些模型可以輕松加載到?BIO X6上，用于材料的最終測試。由于生物打印機具有高分辨率和固有的材料特性，該團(tuán)隊能夠按比例打印心臟瓣膜模型，而無需支撐浴，同時保持與先前發(fā)布的FRESH打印模型一致的性能。為了進(jìn)一步突破他們研究的界限，該團(tuán)隊將這些生物打印的瓣膜連接到脈沖復(fù)制系統(tǒng)上，該系統(tǒng)產(chǎn)生類似心跳的波。生物打印瓣膜在體內(nèi)的反應(yīng)如預(yù)期，瓣葉能夠打開和關(guān)閉。
Savoji實驗室的研究，在?BIO X6?生物打印機的推動下，代表著在尋求更有效和可持續(xù)的心臟瓣膜置換術(shù)方面的重大飛躍。開發(fā)的創(chuàng)新材料解決了傳統(tǒng)機械解決方案的缺點，有望提供個性化、集成化和可生長的心臟瓣膜。隨著生物打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，它不僅有可能徹底改變心臟護(hù)理，還有可能改變再生醫(yī)學(xué)和個性化醫(yī)療的更廣闊前景。
進(jìn)一步閱讀：
完整論文已發(fā)表在著名的《高級功能材料》雜志上
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