开源 3D 打印生物反应器 EnduroBone 用于骨骼领域研究

2024年 6 月 7 日，南极熊获悉，佛罗里达国际大学 (FIU) 的研究人员利用熔融沉积成型 (FDM) 技术制造了一个名为 EnduroBone 的开源生物反应器。在生物医学工程师 Anamika Prasad 的带领下，研究团队开发了这种设备，用于在体外和实验室中制造骨骼组织。这一突破的潜力巨大；它可以通过实现个性化骨植入物的生长推进长期医学研究，改变骨损伤和骨疾病的治疗方法。建造说明使用 Creality 价格实惠的Ender 5 Plus 3D 打印机，可在线获取，让世界各地的研究人员可以复制和调整这项技术。



EnduroBone 的基本原理



在 FIU 工程与计算学院的中心地带，Anamika Prasad 和她的团队一直在研究这种可 3D 打印的生物反应器 EnduroBone 。EnduroBone 有几个圆柱形的空洞，这些空洞是模仿天然骨骼结构的小圆形空间，为骨细胞的生长和繁殖创造了合适的环境，这对于体外的长期生存至关重要。EnduroBone 结合了机械运动和营养流动，以保持骨细胞健康。它有一个马达，可以在放置骨样本的组织孔上移动。这种运动会轻轻地压缩骨样本，模拟骨骼在体内经历的自然物理力，帮助骨细胞保持活跃和活力。同时，泵会持续向骨骼细胞输送营养物质，同时带走废物。这就像血液将营养物质输送到细胞并带走废物一样。通过提供温和的运动和营养物质，EnduroBone 为骨骼细胞的生长创造了完美的环境。

EnduroBone 用于骨组织工程基础研究


△ 生物反应器 EnduroBone

通过提供机械刺激和稳定的营养，EnduroBone 为骨细胞创造了一个高度“支持性环境”。这种设置使研究人员能够研究骨细胞如何生长、如何对治疗作出反应以及在较长时间内如何相互作用。最近发表在《HardwareX》杂志上的一项研究表明，骨骼样本可以在 EnduroBone 中存活长达 28 天。这是一件大事，因为科学家可以研究骨细胞如何在较长时间内生长以及如何对治疗作出反应；还可以观察骨细胞的变化，并在受控环境中测试新疗法。EnduroBone 是骨组织工程领域的一大进步，有可能改变治疗骨损伤和骨疾病的方式。


△ 顶部框架内基座平台上的组织孔相同，每个组织孔均配备营养培养基的流入流出通道

FIU 表示，与MechanoCulture TX 和 TR 等价格超过 20000 美元的系统相比，EnduroBone 仅需 3,138 美元，提供了更经济实惠的集成解决方案。其他商用生物反应器，如 OsteoGen 生物反应器（一种可从 Tissue Growth Technologies 购买的直接灌注设备），仅提供基本的生理控制和持续灌注，但缺乏压缩机械刺激。

EnduroBone 生物反应器提供 Creative Commons 许可的开源平台，让世界各地的研究人员能够复制和利用这项创新技术。得益于 3D 打印，这种硬件的生产成本远低于商业同类产品，使高级骨骼研究更加经济实惠且普及。

研究文件提供了构建 EnduroBone 生物反应器的清晰而详细的说明。研究人员创建并发布了 CAD 文件，并使用 Creality 的 Ender 5 Plus 3D 打印机以特定设置打印了所有零件。打印后，零件上涂有 Smooth-On 的 XTC-3D 密封剂，以确保营养物质密封牢固。组装过程包括彻底清洁和使用道康宁的 PDMS Sylgard-184 对组织孔进行额外涂层，以实现生物相容性。这些全面的指南使研究人员能够轻松、经济、有效地复制生物反应器。

EnduroBone 用于骨癌治疗研究


△ 此处的细胞（显示为绿点）正在执行其骨骼构建任务，它们在体外的 FIU 3D 打印生物反应器内进行

除了基础研究之外，Anamika Prasad 的团队还将使用 EnduroBone 为患有骨肉瘤（一种严重的骨癌）的儿童设计个性化植入物。该项目由佛罗里达癌症创新基金和佛罗里达州卫生部资助，旨在根据每位患者的独特需求定制 3D 植入物。该团队与浸信会健康中心肌肉骨骼肿瘤外科主任 Juan Prettel 合作，希望改变年轻患者的癌症治疗和康复方式。

EnduroBone 用于软骨研究

除了骨组织工程，EnduroBone 系统还有望用于软骨研究，尤其是研究软骨如何降解并转化为骨骼。研究人员解释说，这种多功能性意味着生物反应器可用于许多生物医学研究领域，包括测试骨科设备和开发再生医学的新疗法。

研究团队希望 EnduroBone 能为研究外部刺激对骨组织的影响、疾病机制和潜在治疗干预开辟新途径。EnduroBone 的创建是为了加速骨生物学、骨骼发育和再生医学的进步，最终成为改善医疗保健的关键工具。