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DeepTech深科技|中国学者革新 3D 生物打印，支架孔径达到细胞水平！超精准“雕琢”生物材料( 二 )


另一方面 ， 这种制备方式能在较短时间内打出大块的纤维材料 ， 同时保证材料内部具有细胞支撑的结构 ， 大大提升了制备效率 。 实验表明 ， 该生物墨水在经过 3D 打印后 ， 形成了细胞大小的孔隙 ， 且孔隙间高度联通 。 该生物墨水系统具有良好的细胞兼容性 ， 且在支架中保持较高的细胞存活率 。 李剑宇表示 ， 除了实现材料的孔隙 ， 他们还能够在不影响材料硬度、孔隙率等特性的同时 ， 对材料的机械性质进行灵活调控 ， 比如细胞的粘弹性 。 据介绍 ， 材料的粘弹性在生物材料的实际应用中有着重要的作用 。 粘弹性即聚合物在不同条件下表现出固体和液体的性质 ， 像固体一样有相对固定的形态 ， 但质地如液体般柔软 。 相比传统 3D 打印生产出来的纯弹性体系 ， 粘弹性的体系更加利于细胞的生长和迁移 。 哈佛大学生物工程教授 David J. Mooney ， 是李剑宇在博后阶段的导师 。 Mooney 此前的研究表明 ， 通过调控材料的粘弹性 ， 就能对细胞的功能和行为进行很好的控制 。 包括控制干细胞的分化和控制细胞的增殖 。 最后 ， 为了证明该打印墨水在生物工程上的应用效果 ， 李剑宇团队利用其打印了由人声带成纤维细胞和人气管上皮细胞组成的复合声带结构 ， 结果证明相比于传统材料 ， 具有多孔结构的新材料能够大幅提高支架内成纤维细胞的生长和扩散 。 水凝胶构建体的结构完整性也得以保持 。 打造最聪明的生物材料 这项生物打印领域的新研究 ， 其实只是李剑宇团队的一个跨界研究成果 。 长期以来 ， 他的主要研究方向是软性生物材料 。 他希望未来的生物医学材料 ， 不但能够取代手术缝合线来修复伤口 ， 而且能像修复牙齿一样 ， 安全高效地修复关节软骨和椎间盘等各类软组织 。 要实现这一目标 ， 未来势必要使用到生物打印技术 。 现阶段 ， 硬质生物材料已经在医疗领域被广泛使用 ， 比如用钛合金和陶瓷材料修改牙齿和骨骼的技术已经非常成熟；但在软组织医学方面 ， 现有的生物材料还远远无法满足临床应用的需要 ， 比如用于创伤止血、伤口愈合、关节软骨和椎间盘修复等等 。 其中的关键原因在于 ， 以往的软质生物材料的机械性能远低于生物组织 ， 比如难以形成有效可靠的组织粘附 。
DeepTech深科技|中国学者革新 3D 生物打印，支架孔径达到细胞水平！超精准“雕琢”生物材料
本文插图
随着全球人口老龄化的加剧及各种医疗挑战的出现 ， 让生物材料的重要性日益凸显 。 李剑宇及其团队采用包括材料、力学、化学、仿生和生物工程在内的多学科交叉的方法 ， 开发了多种新型生物材料 ， 例如 ， 用高强度生物胶水替代手术缝合线闭合伤口 ， 将高性能仿生植入材料用于关节软骨和椎间盘修复 ， 以及可以控制大出血的新型止血材料 。 这些新材料的性能远超既有的材料 ， 它们的组织粘附性能可以提升 100 倍以上 ， 同时具有出色的?物相容性 ， 还能实现药物控释、细胞递送等功能 。 在伤口修复方面 ， 目前使用的基本都是“惰性”材料 ， 为伤口提供基本的保护 ， 但没法促进伤口愈合 。 而李剑宇团队开发的新型生物材料是一种具有生物力学活性的物质 ， 让材料更加聪明（Smart） ， 它不仅能够保护伤口 ， 同时还能对组织施加一定的外力 ， 来促进伤口的愈合 。 将生物材料用于软骨和椎间盘修复 ， 是李剑宇课题组的另一大研究方向 。 对于关节和椎间盘软组织损伤 ， 目前的治疗方案通常会采用金属、塑料等硬质材料植入体内 ， 用以修复或代替受损软组织 。 人在衰老过程中 ， 关节、椎间盘等软组织易出现问题 。 目前的治疗方案通常会采用金属、塑料等硬质材料植入体内 ， 用以修复或代替受损软组织 。 但问题在于 ， 这些硬质材料的生物力学性质和含水量与人类软组织相去甚远 ， 长期使用会有较大的生物相容性问题 ， 甚至会造成临近软组织的病变 。 这正是目前软组织医学所遇到的困境之一 。 李剑宇研制的新型生物材料 ， 正在突破这一问题 。 这些新材料“像果冻一样” ， 其含水量和人体组织相当 ， 同时在机械性质上也能做到和人体组织差不多 ， 甚至优于人本身的组织 。 有了聪明的生物材料 ， 李剑宇还有更大的野心 ， 他想让生物打印机参与到临床的手术操作中 。 当下 ， 借助生物打印生产生物材料 ， 然后将其植入人体内 ， 用以修复或取代受损组织 ， 已经有了一些应用 。 李剑宇觉得这远远不够 ， 他希望 ， 未来进行组织修复治疗时 ， 能够直接使用一台像机械臂一样的生物打印机 ， 直接在椎间盘或是软骨上进行修复 。 由于多数创口都是不规则的 ， 所以机械臂需要在上面根据具体的情况实时进行 3D 打印 ， 填充非均质的生物材料 。 这里就涉及生物打印的另一大优势 。 以往科学家只能通过化学合成的方式来制备生物材料 ， 得到的材料往往是一个均一的体系；但生物打印能够实现非均质的三维结构 ， 从而实现材料在每个方向、位置的粘弹性可能都不一样 。 李剑宇表示 ， 这已经是大势所趋 ， 目前这个机械臂生物打印机也已经被他纳入到研究项目当中 。 寻找科研的“现实”意义李剑宇在浙江大学读本科时 ， 专业是材料与工程 。 后来到哈佛大学攻读博士 ， 研究方向更加侧重材料力学 。 再到博士后阶段 ， 李剑宇的研究方向则进入到了生物材料和生物工程领域 。


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