Team demonstrerer fremstillingsmetode til at konstruere 3D-strukturer, der efterligner knoglemikrostruktur
Forskere har kombineret laser 3D-printteknologi og en alternativ iblødsætningsproces for at konstruere komplekse 3D-strukturer, der efterligner knoglemikrostruktur. Dette er den første demonstration af denne fremstillingsmetode, og den vil føre til udviklingen af 3D-cellekultursystemer, der kan understøtte knogletransplantationer eller skabe kunstig knoglemarv.
Deres forskning er publiceret i tidsskriftet ACS Biomaterials Science &Engineering , og er vist på forsiden af det nummer, der blev offentliggjort den 12. februar 2024.
Knogle er et hybridmateriale sammensat af organiske og uorganiske stoffer, hovedsageligt kollagenfibre og et uorganisk mineral kaldet hydroxyapatit (HAp). De mineraliserede kollagenfibre samles for at danne en hierarkisk struktur, der giver fremragende mekanisk styrke og sejhed i kortikal knogle. Kortikal knogle er det stærke ydre lag af de lange knogler.
Mikrostrukturerne i knoglemarven, kaldet knoglemarvsniche, fungerer som regulatorer af de hæmatopoietiske stamceller. Det er primitive celler, der udvikler sig til alle typer blodceller. Den mekanisme, hvorved knoglemarvsnichen opretholder de hæmatopoietiske stamceller, er dog stadig uklar.
Transplantation af hæmatopoietiske stamceller tilbyder en mulig strategi til behandling af leukæmi, lymfom og immunsygdomme. Men det er svært for de hæmatopoietiske stamceller at udvide sig uden for kroppen. Så at skabe en transplantationsmodel, der efterligner knoglemarvsmiljøet, kunne være en løsning på disse udfordringer, der tillader de hæmatopoietiske stamceller at formere sig in vitro og derefter blive transplanteret. Derudover kunne en model, der efterligner knoglemarvsmiljøet, hjælpe med at tydeliggøre mekanismen til at opretholde hæmatopoietiske stamceller i knoglemarven in vivo.
I tidligere forskning havde forskere udviklet biomaterialer baseret på HAp, der efterligner knoglemikrostruktur. De brugte mikrofremstillingsteknikker til at skabe 3D-modeller med HAp med et mål om at konstruere knoglemikrostruktur, der efterligner et biologisk miljø. HAp-coatede materialer er blevet brugt som knogleerstatninger in vivo til at binde defekt knogle ved hjælp af implantation. Den tidligere forskning har vist, at HAp-coatede materialer kan give et miljø, der understøtter cellefunktion og udviser en høj affinitet for knogler.
Alligevel var der begrænsninger med denne tidligere forskning. "Det har været vanskeligt at fremstille organiske og uorganiske 3D-kompositmaterialer med præcis struktur ved hjælp af laser-3D-print," siger Kazutoshi Iijima, lektor ved det tekniske fakultet ved Yokohama National University.
Laserscanning stereolitografi, en 3D-printteknologi, kan producere high-definition modeller af knogler. Holdet valgte en fremstillingsmetode, der kombinerer laserscanning stereolitografi med en alternativ iblødsætningsproces. Med denne fremstillingsmetode konstruerede teamet hydrogelmodeller i mikrostørrelse af polymeriseret gelatinemethacrylat, en biokompatibel tværbindelig polymer, der bruges til bioprint. De modificerede modellerne med HAp ved hjælp af den alternative iblødsætningsproces med en opløsning af calcium- og fosfationer. Denne undersøgelse er den første demonstration af HAp-modifikation til 3D-printede modeller med en mere kompleks struktur ved hjælp af den alternative iblødsætningsproces.
De designede og fremstillede enkle, linjeformede modeller og en pyramideformet model med en kompleks struktur. Disse gjorde det muligt for dem at modificere de fremstillede modeller af forskellige størrelser med HAp ved hjælp af den alternative iblødsætningsprocessmetode uden at ændre mikrostrukturen skabt af stereolitografi.
De testede deres modeller under forskellige forhold ved at ændre nedsænkningstiden og antallet af alternative iblødsætningsprocesser. Holdet var i stand til at kontrollere tykkelsen af HAp-laget ved at ændre betingelserne for den alternative iblødsætningsproces. De analyserede de sammensatte linjemodeller og undersøgte mekanismen for HAp-dannelse ved en alternativ iblødsætningsproces i hydrogelerne.
"Ved at kombinere laser 3D print teknologi og den alternative iblødsætningsproces er det blevet muligt at konstruere præcise 3D gelatine methacrylat og hydroxyapatit kompositmaterialer med præcis struktur," siger Hiroki Miyajima, en specielt udnævnt adjunkt ved det tekniske fakultet ved Yokohama National University .
Når vi ser fremad, håber holdet at udvikle knogle- og knoglemarvsmodeller, der efterligner mikrostruktur af knogler, der bidrager til regenerativ medicin, såsom knoglevævsregenerering og udvidelse af hæmatopoietiske stamceller.
Forskerholdet omfatter Kaori Kojima, Hiroki Touji, Kodai Onodera, Masaru Mukai, Shoji Maruo og Kazutoshi Iijima fra Yokohama National University, Japan.
Flere oplysninger: Hiroki Miyajima et al., Mikrofremstilling af gelatinemethacrylat/hydroxyapatit-kompositter ved at bruge alternativ iblødsætningsproces, ACS Biomaterials Science &Engineering (2023). DOI:10.1021/acsbiomaterials.3c01046
Leveret af Yokohama National University
Varme artikler
-
En visuel database over humane plasmaforbindelserDatabasen er i stand til at kortlægge sammenhængen mellem de forskellige metabolitter, at tilbyde besøgende yderligere forskningsmuligheder. Kredit:Tohoku Medical Megabank Organization Forskere i -
Kemikere udvikler en bioinspireret strategi til kontrolleret syntese af polyenerLysdrevet flip af alkengeometri. Kredit:Ryan Gilmour De forekommer i naturen, er reaktive og spiller en rolle i mange biologiske processer:polyener. Det er ikke underligt, at kemikere i lang tid h -
Forståelse af relaxor ferroelektriske egenskaber kan føre til mange fremskridtChirale (spejl) molekyler giver relaxor ferroelektriske stoffer deres fantastiske egenskaber. Kredit:MR, Penn State En ny grundlæggende forståelse af polymer relaxor ferroelektrisk adfærd kan føre -
Udnyttelse af strukturen af bakterielle værtscellereceptorer til at påvise cancerKrystalstruktur af en streptococcus SLBR (Hsa) binding med høj affinitet til værtscellens glycanreceptor (sTa). Variation i sekvens og struktur af de mærkede SLBR-proteinsløjfer (CD, EF og FG) forudsi
- Firmware-svaghed udvider den røde løber til koldstøvlerangreb
- Video:Nanobots:Fremkomsten af de molekylære maskiner
- Orlovspolitikker kan være til ulempe for kvinder i svære tider
- Tupperware skyder efter stjernerne med en enhed beregnet til at dyrke grøntsager i rummet
- Ligesom Kina, Japan og USA fortsætter med at finansiere oversøiske kraftteknologier til fossilt br…
- Aluminium kan påvirke klimaændringerne ved at øge havenes kulstofdrænkapacitet