國際空間站上的生物打印：俄羅斯在太空中3D打印軟骨

魔猴君  行業(yè)資訊   1584天前

您可能想知道空間3D打印的意義是什么？畢竟，這不是我們刷抖音這么簡單的事情，而是花費(fèi)其他更有價(jià)值的時(shí)間進(jìn)行與遙遠(yuǎn)星系有關(guān)的實(shí)驗(yàn)嗎？盡管NASA確實(shí)著眼于太空研究和即將到來的旅行（如火星之類的旅行），但國際空間站（ISS）的實(shí)際目的是在進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)利用失重環(huán)境。隨著科學(xué)家進(jìn)一步沉浸于組織工程和試驗(yàn)維持細(xì)胞的方法中，零重力為學(xué)習(xí)更多和完善生物打印提供了理想的環(huán)境。

現(xiàn)在，俄羅斯宇航員奧列格·科農(nóng)年科（Oleg Kononenko）已在國際空間站上對(duì)軟骨進(jìn)行了生物印制，為太空旅行者提供了至關(guān)重要的價(jià)值，因?yàn)樵摷夹g(shù)可以為治療星際損傷提供最終的急救方法。

Oleg Kononenko使用了莫斯科公司3D Bioprinting Solutions開發(fā)的一種新型的“無支架”組織工程方法，該方法使用磁場(chǎng)。

這種被稱為“懸浮生物組裝”的方法，也可能為太空再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展鋪平道路，這種醫(yī)學(xué)可用于長途太空旅行，因?yàn)橛詈絾T和宇航員可能要離開地球幾個(gè)月或幾年。他們使用了定制的生物組裝器。為了避免創(chuàng)建支架時(shí)遇到的典型挑戰(zhàn)，Kononenko依靠磁場(chǎng)的作用來實(shí)現(xiàn)微重力下細(xì)胞的自組裝。該方法不僅在組織工程領(lǐng)域總體上令人鼓舞，而且懸浮生物組裝還為太空再生醫(yī)學(xué)提供了巨大的潛力，如果太空旅行者受傷，并且長時(shí)間不返回地球，這可能是必要的。

將組織細(xì)胞放入溫度可控的腔室中以釋放軟骨細(xì)胞，然后將比色皿放入磁性生物組裝器中，以開始構(gòu)建組織，如該圖像所示

由于有關(guān)微重力對(duì)人體軟骨的影響的實(shí)驗(yàn)可能非常昂貴，因此以前僅進(jìn)行了兩項(xiàng)研究-成功地在支架等結(jié)構(gòu)上生長細(xì)胞。在最近發(fā)表的《太空中3D組織構(gòu)造的磁懸浮生物組裝》中概述的這項(xiàng)研究中，俄羅斯研究人員意識(shí)到了使用磁懸浮生物組裝的潛在問題-主要集中于細(xì)胞毒性問題，因?yàn)間enerally（Gd3 +）螯合物通常用于此類物質(zhì)工作。

“從理論上講，有三種可能的方法可以減少順磁介質(zhì)的不良毒性作用：（i）開發(fā)低毒的Gd3 +鹽或其他順磁介質(zhì)，（ii）在高磁場(chǎng)中進(jìn)行懸浮生物組裝，以及（iii）進(jìn)行磁懸浮在微重力條件下進(jìn)行生物組裝。”作者解釋說。

（A）在熱可逆的非粘性水凝膠中充填軟骨球的小方舟，具有順磁性gadobutrol的培養(yǎng)基和固定液（福爾馬林）。 （B）在ISS上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的主要階段：通過冷卻到15°C來激活比色杯，在37°C磁性制造3D組織構(gòu)建體，然后進(jìn)行固定。 （C）將比色皿運(yùn)回地球。 （照片來源：Vladislav A. Parfenov和Frederico DAS Pereira，俄羅斯莫斯科生物技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室“ 3D生物打印解決方案”。）

對(duì)于這項(xiàng)工作，他們使用COMSOL軟件創(chuàng)建了無毒的Gd3 +-螯合物濃度，以創(chuàng)建必要磁場(chǎng)的模型，并成功地將生物組裝與其準(zhǔn)備的計(jì)算公式“很好地吻合”。在實(shí)驗(yàn)過程中需要兩個(gè)階段，包括磁場(chǎng)的配置（在ISS的環(huán)境溫度下進(jìn)行），然后研究組織球體在逐漸穩(wěn)定成實(shí)際3D組織時(shí)的融合。

（A）安裝在磁性生物組裝器中的磁體系統(tǒng)。 （B）磁鐵系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。 （C）構(gòu)造裝配過程的建模。 （D）組裝后構(gòu)造物的建模形狀。 （E）作為加多布特羅濃度和溫度的函數(shù)的構(gòu)建體組裝的動(dòng)力學(xué)。 （圖片來自“太空中3D組織構(gòu)造的磁懸浮生物組裝”）

這組作者解釋說：“根據(jù)數(shù)學(xué)模型，組織球體融合的完整性水平高于50％，在某些碎片中，它達(dá)到了可能壓實(shí)的90％以上。考慮到這一點(diǎn)，我們可以假設(shè)延長生物制造時(shí)間將能夠使軟骨球完全融合成單個(gè)3D組織構(gòu)造。”

（A）太空中磁性生物組裝機(jī)內(nèi)部構(gòu)建體組裝的延時(shí)照片。 （B）使用“ Surface Evolver”軟件將軟骨球融合成3D結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模擬。 （C）在空間中進(jìn)行生物組裝的實(shí)際順序步驟；延時(shí)錄像的快照。 （D）組裝的3D構(gòu)造的宏觀攝影返回地球。 （E）在空間實(shí)驗(yàn)中組裝的3D組織構(gòu)建體的組織學(xué)[蘇木精和曙紅（HE）染色]和免疫組織化學(xué)[增殖標(biāo)志物Ki-67和凋亡標(biāo)志物caspase-3（Casp-3）]。 （照片來源：美國賓夕法尼亞州塞林斯格羅夫市薩斯奎漢納大學(xué)的Kenn Brakke；俄羅斯莫斯科生物技術(shù)研究“ 3D生物打印解決方案”實(shí)驗(yàn)室的Elizaveta Koudan。）

點(diǎn)評(píng)：在宇航員和宇航員被迫自我維持時(shí)，必須考慮諸如疾病或傷害之類的問題，并且由于能夠在沒有腳手架的情況下再生骨骼或其他組織，因此可以避免四肢或死亡。導(dǎo)致“太空醫(yī)學(xué)”的出現(xiàn)，這種突破可能意味著載人，長期太空旅行會(huì)取得更大的成功。