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描述

一種新型墨水使生物工程師能夠在室溫下打印出含有活細胞的人造骨骼。

3D打印包括角膜、血管和皮膚在內的活體組織絕非易事，畢竟這些都是活組織。相比之下，骨骼是一種高度結構化的礦物基質中的活性和無機化合物的混合物。

換言之，3D打印骨骼是挑戰中的挑戰。

這就是為什么生物工程師們嘗試了這么多不同的材料來制作他們的合成骨骼，包括水凝膠、熱塑性塑料和生物陶瓷。現在，澳大利亞悉尼新南威爾士大學的一個研究小組已經開發出一種陶瓷墨水，這種墨水可以在室溫下用活細胞進行3D打印，使他們能夠打印出在一定時間內硬化的骨狀結構，這是比早期技術顯著的改進。研究人員表示，這項新技術最終可能被用于將骨骼直接打印到患者體內。

“與以前的材料不同，我們的技術提供了一種原位打印結構的方法，可以模擬骨骼的結構和化學性質，”該研究的合著者，新南威爾士大學化學學院的生物工程師Iman Roohani如此表示。“機會是無限的。”在最近發表在《高級功能材料》上的一篇研究論文中，研究人員描述了他們如何在具有活細胞的微凝膠基質中開發特殊墨水。

3D打印骨組織在醫學和研究方面有著豐富的應用：模擬骨骼疾病；藥物篩選；研究骨骼獨特的微環境；也許最顯著的是，在創傷、癌癥或其他疾病中修復受損的骨骼。目前修復骨的金標準是自體骨移植，從患者身體的另一部分獲取骨。不幸的是，自體移植物與高感染率有關，如果所需的骨材料太多，就不起作用。

為了創造一種盡可能類似于自體移植的合成骨材料，新南威爾士大學的生物化學家Kristopher Kilian和同事們制造了一種墨水，這種墨水可以3D打印到人體這樣的水環境中。經過兩年的提煉，他們創造了一種生物相容性磷酸鈣材料，在室溫下形成糊狀物。當放入明膠浴或其他溶液中時，發生化學反應，糊狀物硬化成多孔納米晶體基質，類似于天然骨組織的結構。

為了用墨水打印，他們配備了一臺現成的3D打印機，Hyrel 3D Engine HR，帶有一個定制的噴嘴，0.2-0.8毫米的小針頭可將墨水擠在37℃的明膠浴中。Roohani說，這種技術被稱為細胞懸浮液中的陶瓷全向生物打印（COBICS），能夠打印出在一定時間內硬化的骨狀結構，且可以應用于其他3D打印機，如便攜式和手持式打印機。

在他們最近的論文中，研究小組在含有人類成骨細胞和其他類型的人類細胞的明膠浴中打印出了小的骨骼結構，高達半厘米的立方。硬化墨水將活細胞整合到結構中，打印后細胞粘附增殖數周，存活率達95%。

研究小組目前正在設計一種可以打印更大樣本的浴池，并已開始進行小動物試驗，以確定打印能否像自體移植物一樣有效地修復大傷口。接下來，Roohani希望與外科醫生、牙醫和其他人合作，探索COBICS的醫療保健和研究應用，并尋求獲得監管部門批準的途徑。在美國，FDA已經表示3D打印骨骼技術有資格獲得FDA的批準。