生物打印骨替代材料与细胞生物墨水

骨组织工程(BTE)是材料科学和生物工程的一个发展领域，研究人员旨在设计一种理想的生物激发材料来促进辅助骨修复。由于骨科的实验策略尚未从实验室转化为临床实践，该研究领域结合了尖端技术，以开发令人兴奋的骨替代材料的新方法。在实验室生物制造过程中，细胞、蛋白质、生物成分和生物材料的相互作用可以帮助生产工业规模的生物积木，用于再生医学的应用。

现在写进去生物制造德累斯顿工业大学医学院转化骨、关节和软组织研究中心的研究人员开发了一种磷酸钙骨水泥配方，该配方与封装的活生物相结合细胞在生物墨水中三维绘制BTE材料来创建绳状支架。研究人员最初建立了一个制造方案，为细胞在糊状磷酸钙骨水泥(CPC)中存活提供最佳条件，随后提出了骨发育(成骨)和软骨发育(软骨形成)的骨软骨组织移植模型。

构建仿生材料是非常复杂的。细胞和细胞外基质的复杂自然排列，在实验室中利用现有技术本来就很难重现。因此，组织工程的主要目标是开发功能上与感兴趣的组织或器官的化学成分和生物/生物力学特性相似的结构。由于生物矿化材料更适合工程骨模拟基质，格林斯基和同事使用多通道三维绘图技术将自定CPC与人类间充质间质细胞负载的生物墨水结合起来。这种细胞负载的生物墨水是专门使用海藻酸甲基纤维素(alg/mc)共混物制成的，该共混物以前是由同一小组开发的。

总之，这种新型生物材料包含可绘图CPC、细胞负载生物墨水和纳米晶体羟基磷灰石(HAp)，通过生物支架3d生物打印机的多通道挤压，制成高刚度和骨样矿物结构的支架细胞生长．为了了解材料化学成分的变化如何影响骨模拟程度，研究人员分别测试了单相成分alg/mc和CPC支架，以及CPC-alg/mc细胞负载支架的复合双相产物。

在制备细胞囊化藻酸盐生物墨水时，可以不受细胞培养限制地扩展的永生化人间充质干细胞系被认为足以用于大规模的基础生物打印和添加制造技术。为了制造支架材料，CPC和生物墨水都被三维绘制成一种绳状的组合大孔网状结构，为嵌入细胞补充氧气和营养。

作者用立体光学显微镜和扫描电子显微镜观察了大孔结构。这种几何结构只是实验室应用的简化版本，只是为了确定支架对细胞生长和组织再生的潜力，在考虑更合适的孔结构尺寸之前，更适合支持体内生理性骨再生的生物植入物。

使用通用测试系统对3d绘制的双相支架进行拉伸和压缩的机械测试，并通过细胞活力测试检测其支持细胞的能力。由于本研究是首次将CPC和alg/mc生物链相结合的研究，因此必须优化工程过程，以防止生物制造过程中的微裂缝，同时传递长期的细胞相容性以保存嵌入的细胞。

例如，在第一天，当支架设置时，在CPC-生物墨水界面处观察到细胞损伤，几天后当细胞开始向CPC链迁移进行增殖时，细胞损伤得到了补偿。这种迁移可能是由CPC的微粗糙度和表面硬度介导的，这对细胞生长有吸引力。由于材料的初始细胞毒性是由pH值的下降引起的，作者建议设计生物墨水来承受/缓冲生物制造过程中的pH值变化。

在概念性研究提案中，作者建议用单相CPC工程化软骨下骨，用alg/mc工程化软骨成分，在界面处与模拟钙化软骨的交织网络区分离，以制造用于BTE的三维生物标记骨软骨支架。这样的支架可以构建在临床相关的尺寸，通过控制细胞播种，以类似骨矿物，并促进其界面的组织再生，用于未来BTE的转化研究工作。

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