賦予新生—為生命帶來新的可能
經得起時間考驗的兒科心臟瓣膜生物打印技術
心臟瓣膜病是一個重要的全球健康問題，影響著數百萬人，并導致大量心血管相關死亡。傳統的機械替代品雖然可以挽救生命，但也帶來了一些挑戰，尤其是隨著時間的推移。大多數機械瓣膜不能隨著患者的身體生長或適應，因此需要進行多次侵入性手術。這不僅會帶來固有的風險，還會嚴重影響患者的生活質量。血栓、鈣化和嚴重炎癥等問題使情況更加復雜。在兒科病例中，這些挑戰變得更加關鍵。盡管傳統的解決方案仍然可以挽救生命，但可能會將預期壽命縮短50%。
Savoji教授、以及他實驗室的博士生Arman Jafari，與蒙特利爾大學的一個專門團隊合作，利用生物打印技術以及他們的?BIO X6?來應對這些挑戰，并開發了一種生物打印心臟瓣膜置換術的方法。
Savoji實驗室的創新方法
意識到生物打印的潛力，Savoji實驗室啟動了一項任務，旨在開發一種無需支撐浴即可實現高保真打印的材料。通過消除對支撐浴的需求，他們避免了與這種支撐材料的逐批變化相關的挑戰，并簡化了生物制造過程。這種材料的另一個要求是賦予心臟瓣膜所需的機械性能，即能夠承受血流負荷并始終如一地恢復其原始形狀。
Savoji實驗室的突破性解決方案涉及一種由聚乙烯醇（PVA）、明膠（gelatin）和K-卡拉膠（kappa-carrageenan）組成的材料。這種組合提供了一種獨特的混合特性，使其適合于生物打印心臟瓣膜。值得注意的是，該材料可以在印刷前循環冷凍和解凍，以使其具有支持復雜印刷的特性，同時賦予細胞粘附和增殖所需的微結構，確保構建體在時間上的穩定性和功能性。
為了完善他們的生物墨水配方，Savoji實驗室進行了廣泛的測試，涉及材料特性的掃描，如流變特性、微觀結構、機械特性以及溶脹和降解等。借助?BIO X6，他們擁有一個具備所需分辨率和溫度能力的開源系統來進行這些實驗。
圖1：配方油墨和水凝膠的可印刷性窗口、流變特性和物理化學特性。a）可打印性窗口圖顯示了所有配方油墨在25°C、20°C和10°C下的可打印性。b）測量油墨屈服應力的應力掃描測試：i）P5/G2.5/C2，ii）P5/G2.5/C2.5，iii）P10/G2.5/C2，以及iv）P10/G2.5/C2.5。c）油墨在一定剪切速率范圍內的粘度測量顯示剪切變稀行為。d）時間掃描測試顯示儲能模量隨剪切應變變化的恢復行為。e）裸聚合物和P10/G2.5/C2.5復合物的FTIR光譜顯示了每種聚合物的主要官能團以及復合物中所有這些官能團的存在。f）DSC和g）TGA呈現了復合材料的熱行為。h）XRD用于探索聚合物的結晶度，表明在復合材料中，PVA仍然能夠形成結晶鏈段。
引用：Adv Funct Materials，首次出版：2023年10月10日，DOI：（10.1002/adfm.202305188）
驗證生物墨水的生物相容性
在確定了PVA、凝膠和CG的理想組成后，它們能夠提供高印刷性、限制溶脹，也許最重要的是，具有接近體內心臟組織的楊氏模量，從而能夠確定生物相容性。這是通過許多基于細胞的研究完成的，包括細胞毒性、血液相容性，以及最后在皮下植入小鼠后的體內表現。
經過3個月的體內實驗，研究小組得出結論，這種新型生物墨水在小鼠中沒有引起陰性炎癥反應，所有9只小鼠都存活了下來。隨后的組織學評估表明，這些支架促進了膠原蛋白的發育，在4周后增加了25%。研究小組還觀察到，12周后，天然組織開始與外植體融合，這意味著宿主組織接受了它。然而，也許最重要的是，取回的組織沒有顯示出鈣沉積的跡象，這意味著它們避免了鈣化，這是商用心臟瓣膜面臨的最重要問題之一。
探索逼真的3D打印心臟瓣膜的可行性
隨著對材料特性的研究和生物相容性的驗證，該團隊將焦點轉向了打印逼真的心臟瓣膜的可行性，這種瓣膜能夠應對心血管系統等復雜器官系統的需求。
通過mCT掃描，Savoji教授和他的團隊能夠創建與生理相關的3D模型，這些模型可以輕松加載到?BIO X6上，用于材料的最終測試。由于生物打印機具有高分辨率和固有的材料特性，該團隊能夠按比例打印心臟瓣膜模型，而無需支撐浴，同時保持與先前發布的FRESH打印模型一致的性能。為了進一步突破他們研究的界限，該團隊將這些生物打印的瓣膜連接到脈沖復制系統上，該系統產生類似心跳的波。生物打印瓣膜在體內的反應如預期，瓣葉能夠打開和關閉。
Savoji實驗室的研究，在?BIO X6?生物打印機的推動下，代表著在尋求更有效和可持續的心臟瓣膜置換術方面的重大飛躍。開發的創新材料解決了傳統機械解決方案的缺點，有望提供個性化、集成化和可生長的心臟瓣膜。隨著生物打印技術的不斷進步，它不僅有可能徹底改變心臟護理，還有可能改變再生醫學和個性化醫療的更廣闊前景。
進一步閱讀：
完整論文已發表在著名的《高級功能材料》雜志上
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