一种生成人工组织的新方法

维也纳理工大学的研究人员已经开发出一种新的方法来生长替代组织，如软骨，在实验室中使用独特的高分辨率3D打印工艺，为细胞定植创造多孔球体。这种技术允许将这些球体组装成任何形状，细胞结合形成一个统一的活组织，克服了以前在控制组织形状和整合方面的挑战。

　　

维也纳理工大学开创了一种生成人工组织的新方法:细胞在3D打印机创建的微结构中生长。

是否有可能在实验室培育组织，例如，替代受伤的软骨?在维也纳工业大学(TU Wien)，利用一种与世界上使用的其他方法明显不同的技术，在实验室中创造替代组织方面迈出了重要的一步。

一种特殊的高分辨率3D打印工艺用于制造由生物相容性和可降解塑料制成的微小多孔球体，然后将细胞定植在球体上。这些球体可以排列成任何几何形状，不同单元的细胞无缝地结合在一起，形成一个统一的、有生命的组织。软骨组织，这个概念现在已经在维也纳工业大学得到证实，以前被认为在这方面特别具有挑战性。

微小的球形笼子作为细胞的支架

“从干细胞中培养软骨细胞并不是最大的挑战。“主要的问题是，你通常无法控制最终组织的形状，”来自维也纳理工大学材料科学与技术研究所的Oliver Kopinski-Grünwald说，他是当前研究的作者之一。“这也是由于这样的干细胞团块会随着时间的推移改变形状并经常收缩。”

为了防止这种情况发生，维也纳理工大学的研究小组正在研究一种新的方法:专门开发的基于激光的高分辨率3D打印系统用于制造微小的笼状结构，看起来像迷你足球，直径仅为三分之一毫米。它们作为支撑结构，形成紧凑的建筑块，然后可以组装成任何形状。

干细胞首先被引入这些足球形状的小笼子，它们很快就完全填满了这个微小的空间。“通过这种方式，我们可以可靠地生产细胞均匀分布且细胞密度非常高的组织元件。以前的方法是不可能的，”维也纳理工大学3D打印和生物制造研究小组负责人Aleksandr Ovsianikov教授解释说。

一起完美成长

研究小组使用了分化的干细胞，即不能再发育成任何类型的组织，但已经预先确定形成特定类型组织的干细胞，在这种情况下是软骨组织。这种细胞在医学上的应用特别有趣，但是对于软骨细胞来说，构建更大的组织是具有挑战性的。在软骨组织中，细胞形成非常明显的细胞外基质，细胞之间的网状结构经常阻止不同的细胞球体以期望的方式生长在一起。

如果3d打印的多孔球体以所需的方式被细胞定植，那么球体可以排列成任何所需的形状。现在的关键问题是:不同球体的细胞是否也能结合形成一个统一的、均匀的组织?

“这正是我们现在第一次能够展示的，”Oliver Kopinski-Grünwald说。“在显微镜下，你可以非常清楚地看到:邻近的球体一起生长，细胞从一个球体迁移到另一个球体，反之亦然，它们无缝连接，形成一个没有任何空腔的封闭结构——与迄今为止使用的其他方法相反，在这些方法中，相邻的细胞团块之间仍然存在可见的界面。”

这种微小的3D打印支架在组织继续成熟的同时，为整个结构提供了机械稳定性。在几个月的时间里，塑料结构会降解，它们会消失，留下的是理想形状的成品组织。

迈向医疗应用的第一步

原则上，这种新方法并不局限于软骨组织，它也可以用于定制不同种类的大组织，如骨组织。然而，在此过程中仍有一些任务需要解决——毕竟，与软骨组织不同的是，这些组织的血管也必须大于一定的尺寸。

“最初的目标是生产出小的、量身定制的软骨组织，可以在受伤后插入现有的软骨材料中，”Oliver Kopinski-Grünwald说。“无论如何，我们现在已经能够证明，我们使用球形微支架生产软骨组织的方法在原则上是有效的，并且比其他技术具有决定性的优势。”

这些球体几乎可以组装成任何形状——例如，组装成字母T和U。

是否有可能在实验室培育组织，例如，替代受伤的软骨?在维也纳工业大学(TU Wien)，利用一种与世界上使用的其他方法明显不同的技术，在实验室中创造替代组织方面迈出了重要的一步。

一种特殊的高分辨率3D打印工艺用于制造由生物相容性和可降解塑料制成的微小多孔球体，然后将细胞定植在球体上。这些球体可以排列成任何几何形状，不同单元的细胞无缝地结合在一起，形成一个统一的、有生命的组织。软骨组织，这个概念现在已经在维也纳工业大学得到证实，以前被认为在这方面特别具有挑战性。

微小的球形笼子作为细胞的支架

“从干细胞中培养软骨细胞并不是最大的挑战。“主要的问题是，你通常无法控制最终组织的形状，”Oliver Kopinski-Grünwald说。“这也是由于这样的干细胞团块会随着时间的推移改变形状并经常收缩。”

为了防止这种情况发生，维也纳理工大学的研究小组正在研究一种新的方法:专门开发的基于激光的高分辨率3D打印系统用于制造微小的笼状结构，看起来像迷你足球，直径仅为三分之一毫米。它们作为支撑结构，形成紧凑的建筑块，然后可以组装成任何形状。

干细胞首先被引入这些足球形状的小笼子，它们很快就完全填满了这个微小的空间。“通过这种方式，我们可以可靠地生产细胞均匀分布且细胞密度非常高的组织元件。以前的方法是不可能的，”维也纳理工大学3D打印和生物制造研究小组负责人Aleksandr Ovsianikov教授解释说。

一起完美成长

研究小组使用了分化的干细胞，即不能再发育成任何类型的组织，但已经预先确定形成特定类型组织的干细胞，在这种情况下是软骨组织。这种细胞在医学上的应用特别有趣，但是对于软骨细胞来说，构建更大的组织是具有挑战性的。在软骨组织中，细胞形成非常明显的细胞外基质，细胞之间的网状结构经常阻止不同的细胞球体以期望的方式生长在一起。

如果3D打印的多孔球体以所需的方式被细胞定植，那么球体可以排列成任何所需的形状。现在的关键问题是:不同球体的细胞是否也能结合形成一个统一的、均匀的组织?

“这正是我们现在第一次能够展示的，”Kopinski-Grünwald说。“在显微镜下，你可以非常清楚地看到:邻近的球体一起生长，细胞从一个球体迁移到另一个球体，反之亦然，它们无缝连接，形成一个没有任何空腔的封闭结构——与迄今为止使用的其他方法相反，在这些方法中，相邻的细胞团块之间仍然存在可见的界面。”

这种微小的3D打印支架在组织继续成熟的同时，为整个结构提供了机械稳定性。在几个月的时间里，塑料结构会降解，它们会消失，留下的是理想形状的成品组织。

迈向医疗应用的第一步

原则上，这种新方法并不局限于软骨组织，它也可以用于定制不同种类的大组织，如骨组织。然而，在此过程中仍有一些任务需要解决——毕竟，与软骨组织不同的是，这些组织的血管也必须大于一定的尺寸。

“最初的目标是生产出小的、量身定制的软骨组织，可以在受伤后插入现有的软骨材料中，”Oliver Kopinski-Grünwald说。“无论如何，我们现在已经能够证明，我们使用球形微支架生产软骨组织的方法在原则上是有效的，并且比其他技术具有决定性的优势。”

参考文献:“Scaffolded spheroids as building blocks for bottom-up cartilage tissue engineering show enhanced bioassembly dynamics” by Oliver Kopinski-Grünwald, Olivier Guillaume, Tamara Ferner, Barbara Schädl and Aleksandr Ovsianikov, 7 December 2023, Acta Biomaterialia.