影响干细胞“命运”的3D打印骨组织工程支架

| 3DScienceValley · 2016/10/19

通过人工培养的骨骼组织对缺损的骨骼进行修复是再生医学领域努力的方向。组织工程支架和取自于人体的干细胞是进行人工骨骼培养时使用的“原材料”，干细胞将在人工环境下定向分化和扩增，而组织工程支架就相当于是人造的细胞外基质，为细胞提供成长环境。

干细胞是一种会“变”的细胞，它们具有自我更新和分化的能力，在不同的培养条件下，干细胞可以变成不同种类、具有不同功能的细胞。所以想让干细胞分化成为骨骼细胞，就需要为它们提供一些特定的培养条件。近日，荷兰Maastricht大学Moroni实验室研发的3D打印支架就为干细胞定向分化成为骨骼细胞创造了有利条件。

支架孔隙影响干细胞的“命运”

Moroni实验室是欧洲最大的生物制造中心之一，隶属于Maastricht 大学的MERLN再生医学技术研究所。Moroni实验室致力于开发出可以影响干细胞“命运”的3D打印支架，干细胞在不同的支架上分化成为不同类型的细胞，例如皮肤细胞、骨细胞等，实验室还将为这些不同的分化结果建立起完整的数据库。

图片来源：3ders

实验室的科研人员表示，上一代人工骨骼组织产品可以帮助患者减少疼痛和恢复缺损的组织，已体现出它们在再生医学治疗中的潜力。但是上一代再生组织的功能与人体原生组织相比仍有差距，它们将在手术几年后退化，从而需要再次进行手术。此外，使用上一代人工骨骼产品治疗骨骼缺损的周期较长，包括分离和增殖取自人体组织活检细胞的过程，以及将细胞种植在支架上的过程，这通常需要患者的住院时间更长，增加了医疗费用负担。

图片来源：3ders

随着干细胞分化技术的发展，人工培养骨骼组织的“取材”过程将更加便利，以上问题也将得到改善。Moroni实验室“智能构建”的3D打印支架为干细胞的定向分化创造了有利条件。Moroni实验室的3D打印支架带有孔隙和物理-化学梯度，3D打印技术可以灵活的制造出支架中大小不一的孔隙尺寸，以及不同的孔隙形状。而支架上不同尺寸和形状的孔隙将在干细胞分化成为不同功能细胞的过程中发挥一定作用（实现干细胞的分化还需要其他的诱导因子），例如在孔隙尺寸增大时干细胞将分化为成骨，变小时则分化为软骨；当孔隙形状从正方形变化到菱形时，骨髓间充质干细胞的分化方向将会从软骨逐渐转向骨。

图片来源：3ders

3D科学谷了解到，支架中的孔隙对于骨骼再生起到重要作用，理想的骨组织工程支架孔径最好与正常骨单位的大小相近，在维持一定的外形和机械强度的前提下，通常要求骨组织工程支架的孔隙率尽可能高，同时孔间具备连通孔隙，这样有利于细胞的黏附和生长，促进新骨向支架内部的长入，利于营养成分的运输和代谢产物的排出。3D打印技术在骨组织工程支架制造中发挥的主要作用是制造出仿生的孔隙，这与3D打印技术在制造金属骨科植入物中发挥出的优势是类似的。