3D生物打印常常被認為具有通過再生性植入物顛覆醫(yī)學世界的潛力，甚至有可能導致人造器官和組織的出現。在全世界有多家研究機構都在進行著3D打印細胞結構的研究競賽。但是，他們都面臨著一個重大的障礙：如何才能3D打印出一個支架，讓上面的細胞按照研究人員希望的方式生長？如今，這一障礙正在被荷蘭Maastricht大學Moroni實驗室的研究人員們解決，他們開創(chuàng)性地設計的幾個3D打印支架展示了如何通過漸進式的影響使成體干細胞朝著骨骼細胞的方向分化。
顯而易見，這是邁向3D打印骨骼植入物非常重要的一步。據了解，獲得這一成果的Moroni實驗室是歐洲最大的生物制造中心之一。該實驗室成立于兩年前，隸屬于Maastricht 大學的MERLN再生醫(yī)學技術研究所。實際上，該實驗室的淵源可以追溯至2009年，這個研究團隊首次在Twente大學成立。從那時起，他們已長成位Brightlands生態(tài)系統的一個關鍵組成部分。Brightlands一直致力于跟醫(yī)院臨床部門合作創(chuàng)立新的生物醫(yī)學3D打印項目。
據研究人員解釋稱，他們的目標是開發(fā)出一個可以控制細胞“命運”——它們是變成皮膚細胞、骨細胞還是其它類型的細胞——的3D支架的完整數據庫。“第一代產品中的細胞是懸浮在水凝膠、或著被植入3D多孔基質當中的。這些產品通過減少疼痛和恢復組織延續(xù)性證明了再生醫(yī)學治療的潛力。但是這些再生組織的功能并不總是跟原生的一樣。”他們解釋說。“這會在手術幾年后導致退化，因此還需要再次進行手術。”
這里原因是多方面的，但是最主要的因素在于細胞增殖和穩(wěn)態(tài)所需要的需要3D環(huán)境。由于原始的細胞顯性缺失，導致增殖的細胞產生了不同的細胞外基質，該基質與它應當重新生成的靶組織并不一致。“此外，是用這些產品的外科手術通常要包括兩個步驟，即隔離和增殖取自組織活檢的細胞，以及在植入前將細胞種植在支架上。這通常需要患者在醫(yī)院待更長的時間，從而增加了醫(yī)療費用。”他們補充說。
而這個問題有可能通過“智能構建”來克服，這種方法可以完全控制植入的干細胞的“命運”，從而為各種再生醫(yī)學應用鋪平了道路。“更好地控制細胞與材料之間的相互作用是維持組織結構所必要的。它是控制干細胞在3D支架中休眠、增殖和分化，同時將細胞保持在原位的關鍵。”他們解釋說。在這個過程中，3D生物打印可以發(fā)揮巨大的作用，但新的技術和硬件的發(fā)展是絕對必要的。
該實驗室獲得的最新成果是朝著正確的方向上邁出的重要的一步。因為在其發(fā)表的一系列論文中，他們已經展示了3D打印技術是如何可以被用來設計和制造帶有嵌入結構和物理-化學梯度的支架。據悉，正是這些梯度影響著成體干細胞朝著骨細胞方向的分化。“我們展示了孔隙大小和形狀的梯度是如何幫助源自成人間充質干細胞（或基質）的骨髓向骨骼系分化的。”他們說。“當間充質干細胞在孔隙大小變化的支架上培養(yǎng)時，他們能更好地分化成骨或軟骨（在軟骨或骨媒介存在的情況下）。”
更重要的是，這是一個很靈活的過程。在支架上的孔隙尺寸可以增加或減少，從使其分化成骨（增加時）或者軟骨（減少時）。“同樣地，當孔隙形狀從偏正方形變化到更偏菱形形狀時，骨髓間充質干細胞的分化方向也會從軟骨逐漸轉向骨。”他們補充說。
