一種使用成股的軟骨替代物做墨水的3D生物打印技術有朝一日可能會為磨損關節制造出軟骨“補丁”，來自賓夕法尼亞州立大學（Penn State University）的一隊科學家如是說。
“我們的目標是創建出可以用于替換大量磨損組織或者可以用于設計補丁的組織。”該校工程科學與機械學助理教授Ibrahim T. Ozbolat稱，“尤其是那些患有骨關節炎的患者們，經常要忍受巨大痛苦。我們需要為此找到一種新的替代治療方法。”
對于那些希望擴展生物打印技術的科學家們來說，軟骨是一種很好的目標組織，因為它只有一種細胞類型，而且組織內沒有血管。不過它也是無法自我修復的組織，軟骨一旦損壞，就無法恢復。
在以前，科學家們關于培育軟骨的嘗試是從將細胞植入水凝膠（一種聚合物鏈組成的物質，90%的成分是水）開始的，這種水凝膠可以作為支架用于生長組織。
“水凝膠不允許細胞正常生長。”Ozbolat說，他也是賓夕法尼亞州Huck生命科學研究所的成員。“水凝膠限制了細胞，不允許細胞像在原生組織中那樣相互溝通。”這導致最終產生的組織不具有足夠的機械完整性。而且退化的水凝膠也會產生有毒的化合物，不利于細胞生長。
為此，Ozbolat和他的研究團隊開發出了一種方法，無需使用支架即可制造出更大規模的組織。他們創建了一個很小的——直徑僅為百分之三到百分之五英寸——藻酸鹽（一種海藻萃取物）制成的管。科學家們將軟骨細胞注入該管中，使它們在其中生長一個星期左右，導致彼此粘連起來。由于細胞不會粘到海藻上，他們可以將這個管子去除掉，留下一股（或者一縷）軟骨。科學家們在其最新一期的《Scientific Reports》上報告了他們的研究成果。
最后，研究人員將成股的軟骨代替生物墨水用于3D生物打印，這種3D生物打印機使用了專門設計的原型噴嘴，可以擠出這種軟骨“線材”。這種3D打印機可以根據研究人員的需要將這些軟骨“線材”鋪成任何圖案。大約半小時后，等這些軟骨補丁相互之間有了足夠的粘結力，并可以移到培養皿中之后，研究人員再把它們放在營養液里，使它們能夠進一步融合成一塊單一的組織。最終，這些成條的軟骨“3D打印線材”會充分連接和融合在一起。
一片3D打印的軟骨在營養液中的一塊骨頭底座上
“我們可以安照任何需要的長度制造出這些成股的軟骨。”Ozbolat說：“因為沒有支架，這個打印軟骨的過程是可擴展的，所有我們可以獲得比較大的補丁。我們可以通過垂直打印這些“線材”來模仿真實的關節軟骨，或者橫向來模仿自然的結構。”
據了解，最終研究團隊制造出來的人工牛軟骨非常類似于原生的牛軟骨。盡管其力學性能還是不如那些天然軟骨，但是比使用水凝膠做支架的軟骨要強。不過需要指出的是，天然軟骨是在關節的壓力環境中形成的，因此Ozbolat認為，如果對人工軟骨施加機械壓力將改善其力學性能。
另外，科學家們稱這一過程也可以用于制造人體內的軟骨，材料來源包括人體內現有的軟骨或者通過干細胞分化為軟骨細胞。
美國國家自然科學基金（NSF）、愛荷華價值成長基金（ Grow Iowa Value Funds）和中國學術基金（China Scholarship Fund）支持了這項研究工作。
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