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超級強悍的3D打印的水凝膠可以修復受損的膝蓋


近日,美國德州的一個研究團隊開發出一種全新的技術。該技術通過加入海藻酸鹽,可以在3D打印水凝膠過程中實現前所未有的耐用性和精度控制。據悉,這種生物材料兼具彈性和強度,十分類似我們自己的自然組織,因此可用來3D打印一些需要承重的部件,比如膝蓋軟骨,也可以減少那些遭受運動損傷或者其它外傷的患者的關節置換需要。
 
   所謂的關節軟骨,是一種白色的柔軟軟骨,它可以實現骨關節的平滑移動并吸收關節部位受到的沖擊和力量。因此如果種種原因該關節軟骨受損而不能自行愈合,甚至隨著時間而持續磨損的話,就會導致關節僵硬、嚴重的炎癥,喪失運動能力和極度的痛苦。最終,如果軟骨磨損太大,導致關節兩頭的骨頭接觸,就需要進行人工關節置換手術。而由于捐助者的嚴重缺失和生物相容性的問題,成功的移植十分少見。
    為了克服這些障礙,來自德克薩斯理工大學(Texas Tech University)和德克薩斯A&M大學(Texas A&M University)的科學家們開始轉向生物打印技術和生物相容性材料來尋找解決方案,他們希望能夠3D打印出比原有組織更好的組織和細胞支架,以取代人類捐獻者。
   凝膠是由一種親水性聚合物鏈的組成的,可以用于制作簡單的組織和細胞支架,被認為是一種優良的生物相容性材料。正是因為其高含水量使得他們能夠模仿生物組織的柔性。但是遺憾的是除此之外水凝膠的強度太低、容易變形,因此無法用于像膝蓋這樣的承重關節。
“而且由于其低粘度和膠凝溫度范圍大,至今世界上仍未實現水凝膠材料的精確3D打印?!毖芯空咴諑畚男吹?。該論文的名稱為《一種超強水凝膠的3D打?。?D printing of an extremely tough hydrogel》,已經被發表在《RSC Advances》雜志中?!霸謖庀鈦芯恐?,一種高強度雙網絡水凝膠通過添加海藻酸鹽實現了精確打印。海藻酸鹽的添加不僅增加了油墨的粘度和打印時間,同時也提高了其流變特性,可以在過程中實現精準的控制?!?
簡單地說,這種海藻酸鹽,是一種粘性膠狀聚合物,可以鏈接松散的凝膠網絡,使其更強、更耐磨,并且在3D打印時保持精確的形狀。
 
    此外,科學家們還通過將該水凝膠結構浸入氯化鈣溶液引入鈣離子。這些離子會與海藻酸鹽形成交聯,使其更加強大。由此而產生的鈣和海藻酸鹽水凝膠的抗拉強度高于任何其他水凝膠生物材料,與人類自然的軟骨不相上下。
“組織工程的一個主要挑戰是制造出符合臨床要求的尺寸、形狀和結構完整性的對象。3D生物打印已具備達到這個目標的潛力?!盬ake Fores再生醫學研究所主任 Anthony Atala說。
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