3D 打印資訊
科學家利用幹細胞 3D 生物打印關節軟骨有效改善關節炎治療
佐賀大學中山實驗室和日本京都大學的科學家們已經用幹細胞製造了 3D 打印的軟骨結構，可能用於修復患者的大軟骨缺損有效改善關節炎。
使用人類誘導多能幹細胞 (iPSC)，研究人員使用無支架的 Kenzan 生物打印工藝創建了軟骨結構，其中生物墨水的唯一支撐結構是微針基質。
據報導，該技術使科學家們能夠克服基於支架的組織工程方法在創建軟骨樣結構方面的局限性，例如細胞相容性差和毒性，同時解決了細菌感染問題和傳統關節假體所具有的與置換手術相關的一些風險.
該研究的目的是治療不想接受金屬和塑料製成的人工關節治療的運動員的關節炎等疾病。
改善關節炎治療
關節軟骨是一種承重結締組織，覆蓋骨骼末端以防止摩擦和保護關節。疾病、創傷和退行性疾病（如骨關節炎）可能導致軟骨損傷，骨關節炎是導致關節疼痛和無法活動的主要原因之一。
全世界有超過 3 億人患有骨關節炎，造成巨大的臨床和經濟負擔。當前的手術治療，例如微骨折和植入物，通常只關注焦點缺陷，不會產生持久的功能性軟骨。全關節置換術也是終末期骨關節炎的唯一治療方法，植入物在較長時間內缺乏耐用性，並可能導致骨骼縮短和其他並發症。
組織工程是軟骨修復和關節保存的全關節置換的替代方法，但該方法受到缺乏功能細胞類型和生物材料的限制。軟骨細胞和間充質乾細胞 (MSCs) 目前被認為是最有希望的再生治療細胞來源，儘管它們可能會受到供體年齡、密度、活性、細胞表型和其他因素的阻礙。
iPSC 是一種替代細胞來源，有望克服其中的一些限制，因為它們具有自我更新的潛力，可以提供幾乎無限數量的具有多能能力的細胞——分化成許多不同細胞類型的能力。因此，iPSCs 被選為科學家軟骨結構的基礎。
3D打印軟骨
目前用於軟骨再生的組織工程技術在很大程度上可以分為基於支架的方法和無支架的方法，過去 3D 打印已被用於該領域的多個研究項目。
例如，查爾姆斯理工大學的科學家們之前已經展示了軟骨組織工程可以使用 3D 生物打印治療骨關節炎，中央昆士蘭大學的微生物學家已經探索了鱷魚蛋白和 3D 生物打印的組合來修復關節損傷。在其他地方，賓夕法尼亞州立大學的研究人員開發了一種新穎的 3D 打印方法來創建具有微孔的軟骨組織構建塊，允許營養和氧氣擴散。
最近，研究人員在加拿大阿爾伯塔大學開發的方法3D生物打印定制的鼻軟骨生活與術後面部毀容的癌症患者，而斯旺西大學是3D打印的軟骨組織支架為無疤痕耳朵和鼻子移植的合作夥伴關係無疤基金會。
目前在該領域取得進展的一項備受矚目的計劃是歐盟支持的 TRIANKLE 項目，該項目正在尋求開發 3D 生物打印細胞修復踝關節植入物。去年，該項目得到了西班牙足球俱樂部巴塞羅那足球俱樂部研發實驗室的支持，該實驗室已同意在其業餘球隊中測試基於膠原蛋白的細胞移植物，以期最終為未來的商業發布做好準備。
帶有 iPSC 的 3D 打印軟骨假體
日本科學家目前研究的目的是利用 3D 生物打印機來設計一個解剖尺寸和形狀的無支架軟骨結構。來自Cyfuse Biomedical 的Regenova Bio-3D 打印機用於該研究。Regenova 是一種新穎的機器人系統，它根據預先設計的 3D 數據，通過將細胞球體置於細針陣列中（Kenzan 方法）來促進 3D 細胞結構的製造。
該打印機利用由 81 根針組成的 9 x 9 方形 Kenzan 陣列、由 676 根針組成的 26 x 26 方形 Kenzan 陣列和單排 36 針直徑 7 mm 的圓形 Kenzan 陣列，以 3D 打印各種軟骨假體的大小。
首先，iPSC 通過 MSC 誘導分化為軟骨細胞（用於軟骨形成的代謝活性細胞），形成高度軟骨形成和有效的 iNCMSC。然後針對生物打印過程對 iNCMSC 進行優化，然後確定最短成熟期。然後，使用上面列出的各種類型的 Kenzan 來製造更大的軟骨結構，這些結構是專門為不規則缺陷而設計的。
第一個構造證實了該方法保持形狀的潛力，以 90 度角的 L 形印刷。從 Kenzan 中取出後，無論其 2 平方厘米的總面積如何，該構造都能夠保持應用的設計並承受機械操作。
使用 7 毫米圓形 Kenzan，科學家們能夠在半管狀結構中將構造尺寸增加到 6 平方厘米，該結構可用於治療寬闊的彎曲區域，例如髕骨表面。
通過他們的方法，科學家們能夠成功地 3D 打印無支架、自我維持的軟骨結構，其尺寸和形狀合適，用於修復較大的軟骨缺損。還發現構建體表現出幾乎等於正常軟骨的強度。
科學家們基於細胞的關節假體的耐用性將在未來的研究中繼續進行評估，希望它能解決細菌感染的問題以及傳統關節假體所具有的與置換手術相關的一些風險。
然而，他們確實注意到，雖然使用 iPSC 衍生細胞作為源材料有很多好處，但它仍然非常昂貴。因此，他們表示，在進行更耗時、更費錢的體外研究之前，進一步優化和改進技術將是至關重要的。
有關該研究的更多信息，請參見發表在《生物製造》雜誌上的題為“用於關節軟骨再生的生物 3D 打印 iPSC 衍生的人類軟骨細胞”的論文。該研究由 A. Nakamura、D. Murata、R. Fujimoto、S. Tamaki、S. Nagata、M. Ikeya、J. Toguchida 和 K. Nakayama 合著。