科学家将激光3D 打印技术与替代浸泡工艺相结合，构建了模仿骨骼微结构的复杂 3D 结构。这是这种制造方法的首次演示，它将促进支持骨移植或制造人造骨髓的 3D 细胞培养系统的发展。
他们的研究成果于 2023 年 11 月 20 日在线发表在ACS Biomaterials Science & Engineering杂志上，并出现在 2024 年 2 月 12 日出版的期刊封面上。
骨是由有机和无机物质组成的混合材料，主要是胶原纤维和一种称为羟基磷灰石(HAp)的无机矿物质。矿化胶原纤维聚集形成分层结构，为皮质骨提供优异的机械强度和韧性。皮质骨是长骨的坚固外层。
骨髓中的微结构(称为骨髓生态位)充当造血干细胞的调节器。这些是发育成所有类型血细胞的原始细胞。然而，骨髓微环境维持造血干细胞的机制仍不清楚。
造血干细胞移植为治疗白血病、淋巴瘤和免疫性疾病提供了可能的策略。但造血干细胞很难在体外增殖。因此，创建模仿骨髓环境的移植模型可能是解决这些挑战的一个解决方案，使造血干细胞能够在体外繁殖，然后进行移植。此外，模拟骨髓环境的模型有助于阐明体内维持骨髓造血干细胞的机制。
在早期的研究中，科学家们开发了基于 HAp 的生物材料，可以模仿骨骼的微观结构。他们使用微加工技术利用 HAp 创建 3D 模型，目标是构建模仿生物环境的骨骼微结构。 HAp 涂层材料已被用作体内骨替代物，通过植入来粘合有缺陷的骨。这项早期研究表明，HAp 涂层材料可以提供支持细胞功能的环境，并对骨表现出高亲和力。然而这项早期研究存在局限性。横滨国立大学工程学院副教授 Kazutoshi Iijima 表示：“通过激光 3D 打印制造具有精确结构的 3D 有机和无机复合材料一直很困难。”
激光扫描立体光刻技术是一种3D打印技术，可以制作高清骨骼模型。该团队选择了一种将激光扫描立体光刻与替代浸泡工艺相结合的制造方法。通过这种制造方法，该团队构建了聚合甲基丙烯酸明胶的微型水凝胶模型，这是一种用于生物打印的生物相容性可交联聚合物。他们使用钙离子和磷酸根离子溶液的交替浸泡过程，用 HAp 修改了模型。这项研究首次展示了使用交替浸泡工艺对具有更复杂结构的 3D 打印模型进行 HAp 修改。
他们设计并制作了简单的线形模型和结构复杂的金字塔模型。这使得他们能够使用交替浸泡工艺方法，用 HAp 修改各种尺寸的制造模型，而无需改变立体光刻形成的微观结构。
他们通过改变浸泡时间和交替浸泡过程循环的次数，在各种条件下测试了模型。该团队能够通过改变交替浸泡过程的条件来控制 HAp 层的厚度。他们分析了复合线模型，并研究了水凝胶中交替浸泡过程形成 HAp 的机制。
横滨国立大学工程学院特聘助理教授 Hiroki Miyajima 表示：“通过将激光 3D 打印技术与交替浸泡工艺相结合，构建具有精确结构的精密 3D 明胶甲基丙烯酸酯和羟基磷灰石复合材料成为可能。” 。
展望未来，该团队希望开发模仿骨骼微观结构的骨骼和骨髓模型，有助于再生医学，例如骨组织再生和扩大造血干细胞。
该研究团队包括来自日本横滨国立大学的 Kaori Kojima、Hiroki Touji、Kodai Onodera、Masaru Mukai、Shoji Maruo 和 Kazutoshi Iijima。
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