完美(中国)体育-创新之光：上海医疗器械博览会解析《AFM》3D打印“人造耳廓”

2023-12-04

因为剖解构造的繁杂及分层布局，成立多构造耳廓移植来医治小耳畸形是一个挑战。为此，苏黎世联邦理工学院Marcy Zenobi-Wong和其团队提出了一种使用洗脱琼脂糖模具举行异质、多层及人体范围的构造移植的3D生物制造的新型锻造技能。这些模具经由过程将琼脂糖锻造到定制的3D打印容器中天生，称为元模，优化以促成基在几何及拓扑约束的水凝胶锻造历程。锻造孕育发生高分辩率（50 μm），并答应于移植上锻造进一步的水凝胶层。多层耳廓布局是于由透明质酸-海藻酸盐双收集及相邻的明胶基真皮层构成的软骨焦点上制造的。经由过程各层之间残存官能团的正交物理及酶交联来实现相邻层之间的键合。为每一一层都成为软骨及预血管化的真皮构造优化了质料构成及造就时间。为了证实这类技能于人类巨细移植物的生物制造中的可伸缩性，锻造了双层人类巨细的耳朵。上海医疗器械展览会Medtec China认为，这类新锻造技能为繁杂构造移植物的制造提供了一种颇有出路的要领，降服了其他传统生物制造要领的局限性。

相干研究内容以“Biofabrication of Heterogeneous, Multi-Layered, and Human-Scale Tissue Transplants Using Eluting Mold Casting”为题在2023年10月28日发表于《Advanced Healthcare Materials》。

图1 试验概述

本研究先容了一种新的锻造技能，用在生物制造非匀称双层布局，包括无血管软骨焦点及预血管化的真皮层。所提出的技能基在利用3D DLP打印的元模具天生多部门琼脂糖模具。利用低浓度的琼脂糖（3% w/v）制备琼脂糖模具，并预装氯化钙（CaCl2）及过氧化氢（H2O2），别离用在海藻酸盐的离子交联及酪胺润色的透明质酸及明胶-水凝胶的共价交联。随后将细胞水凝胶前体溶液浇铸到持续的琼脂糖模具中，可以切确地天生多层水凝胶。为了展示这类技能的可扩大性及潜力，本研究建造了一个双层的、人体巨细的耳移植手术（图1）。耳廓软骨的焦点布局是经由过程将人耳廓软骨细胞封装于由高份子量透明质酸酪胺（HA-Tyr）及海藻酸盐（Alg）制成的水凝胶中而孕育发生的。经由过程将HUVECs及原代人真皮成纤维细胞包裹于明胶酪胺（Gel-Tyr）水凝胶中形成模仿真皮层。这类生物正交计谋维持透明软骨的无血管特征，同时也撑持临近真皮构造层的微毛细血管收集的成长。出产针对于患者的模具设计可能性及这类技能的多层及可扩大的要领，使洗脱模具成为制造具备广泛细胞密度的人体巨细的构造及器官的一个有吸引力的解决方案。

图2 模具的建造

3D打印于医疗器械中作为晋升患者的医治效果的制造技能，若能获得充实的运用在，骨科植入行业将会完全转变，可对于在医疗公司来讲，要使用这项新的制造技能，需要举行广泛的质料实验，上海医疗器械展览会Medtec China 深谙这项技能的主要性和其各医疗公司的难点，为此现场特设有 16年夜特点展区，包括医用3D打印，骨科加工专区，和超周详激光加工、金属质料，部件及加工装备等研发设计范畴，很多展商也未来到展会现场展示企业最新的产物和设计，这为医疗器械制造商、质料供给商和办事商等提供富厚的海内外的经验借鉴。若想要相识采购更多3D打印相干展品和信息，当即点击介入上海医疗器械展览会Medtec China！

找到最好的去除了标的目的后天生一组称为元模的塑料模具（图2A），此中注入熔融的琼脂糖聚合物溶液并冷却到室温，以制造一个琼脂糖模具（图2B）。接下来，从元模中提取琼脂糖模具并举行组装（图2C）。利用打针器将布满细胞的水凝胶前体溶液注入到组装好的模具中（图2D）。按照模具设计，两个模具可以很轻易地分散，以显示锻造植入物（图2E）。随后的图层可以用一样的要领添加到植入体中(图2F-L）：对于新层反复这个历程，从顶部最先，分散标的目的连结稳定。为了锻造该层的第二部门，去失底部模具，换上一个新模具，并反复这个历程（图2F-L）。

 

图3 模仿100 mMCaCl2及0.01%H2O2从琼脂糖模具扩散到锻造水凝胶中的有限元阐发

为了预计每一一层交联所需的时间，于COMSOL多物理学中成立了有限元阐发（FEA）模仿（图3）。图3A别离显示100 mMCaCl2及0.01%H2O2随时间的扩散环境。模仿预计，100 mMCaCl2彻底扩散到铸型软骨布局的时间为30 min，0.01%H2O2的时间为20 min。图3B显示了对于第二层锻造的不异模仿。于这类环境下，锻造质料的交联只需要H2O2。

图4 软骨比照组的体外特征研究

图4A、B显示了前提2与30×106细胞mL−1于49天内的软骨天生潜能。于所有时间点，细胞连结跨越93%的活气（图4C）。利用基在免疫构造学染色的强度定量，可以对于样本中糖胺聚糖（GAGs）及胶原的沉积举行半定量评估（图4D）。压缩测试显示，于49天的造就时期，样品的刚度不变且显著增长（图4E）。RT-qPCR数据证明，I型胶原（COL1A1）基因的表达于选定的时间点上没有显著增长（图4F）。相反，软骨细胞外基质（ECM）的标记基因II型胶原（COL2A1）及堆积卵白聚糖（ACAN）跟着时间的推移体现出显著上调（图4F）。

图5 血管化真皮节制的体外特征研究

3%及4.5%的前提答应于3D基质中实现血管收集的快速成长（图5A）。不受限的压缩丈量成果显示，跟着聚合物含量的增长，弹性模量连续增长，于6%的Gel-Tyr前提下，其弹性模量为1709±102Pa（图5B）。于3%及6%的Gel-Tyr前提下，血管化面积及总血管长度有显著差异（图5C）。利用CD90（Thy-1）/CD31共染色证明CD90+成纤维细胞及微毛细血管的共定位（图5D）。持久的构建造就致使高度互联的毛细血管收集形成（图5E）。7天后，管腔形成清楚可见（图5F）。

图6 人形多层耳的锻造

为了展示元模技能的可扩大性及潜力，建造了一种两层的、人体巨细的耳移植技能。从耳廓软骨焦点最先，从内到外锻造（图6A）。交联是由CaCl2及H2O2从琼脂糖模具扩散到注入的聚合物溶液中，连续30 min后激发的（图6A）。于这两个步调之间，经由过程答应H2O2从琼脂糖模具中扩散，使聚合物溶液交联15 min（图6A）。末了，抛弃顶部琼脂糖模具，而底部琼脂糖模具于造就历程中作为多层布局的静息外貌（图6A）。如图6A所示，因为琼脂糖模具，于整个49天的造就时期不雅察到优良的外形保留，由于琼脂糖模具于其刚度较低的初始时间点支撑多层耳的悬垂。于末了的时间点，利用手术刀于软骨及真皮层的界面举行一个切确的暗语，以评估软骨焦点压缩模量的增长（图6B）。于末了的时间点，利用构造学阐发评估来自成熟耳布局差别部位的3个区域（图6C）。如图6D所示，所孕育发生的软骨质量最好，GAGs及II型胶原染色强，而I型胶原染色缺掉。

综上所述，本研究采用一种基在进步前辈锻造计谋的新型生物制造要领，采用洗脱模具制造年夜型构造移植。与传统锻造要领比拟，该要领可以或许生物制造更繁杂的布局，包括由差别质料及细胞类型构成的差别层。因为没有严酷的流变学要求，这类新的生物制造要领答应利用广泛的生物质料。差别的质料及单位类型可以以分层的方式组合，自力在所选择的设计。这项事情中为这项技能提供了观点证实，利用两种差别的水凝胶及多种细胞类型的生物制造人类巨细的负载细胞布局。将来的事情将集中在对于锻造后的每一一层举行更密集的表征，以和改善云云年夜布局的造就前提，以减轻经由过程琼脂糖模具的扩散极限的影响。这可使用定制的塑料网格支撑来实现，以保留布局而不引入物理樊篱。

文章来历： EngineeringForLife

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