再生医学的革命-由NC州立大学领导

在美国，每年都有成千上万的人知道他们膝盖或肩膀的疼痛是软组织需要修复或替换。

外科进步使得更换受伤肌腱和韧​​带相当常规的过程。但是创造新软组织（包括皮肤）背后的科学已经慢慢地向前移动。

北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的跨学科研究团队发现了一个潜在的变革机会。该团队来自生物医学和工业工程、纺织和兽医学，正在探索如何应用3D打印和非织造纤维制造来创造可以在人体中生长的新组织。

根据美国国家生物医学成像与生物工程研究所(NIBIB)的研究，组织工程有三个组成部分:支架、细胞和促进细胞进一步生长的活性分子。这三个人一起工作产生新的组织，与支架提供形式和结构的组织生长，由活性分子催化。

两个密切相关的问题主导了该团队的工作:如何以速度和重复性在多个尺度上制造组织，从微到纳米?这些脚手架应该用什么做呢?

研究的重点是创造支架，为组织生长提供形式和方向。不同的组织在不同的尺度上有不同的形状和不同的组成。

“在没有支架的情况下，”工业和系统工程副教授Rohan Shirwaiker说，“我们仍然可以获得骨细胞，并在培养皿中培养它们。”它们会繁殖，但不会真正生长并形成我们需要的骨组织。”

如今，大多数移植组织来自尸体或患者自身。在使用干细胞修复受损组织方面取得了一些进展。北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校联合生物医学工程系兰普特级教授Fran Ligler说，这两种方法都没有达到人体所需的定制水平。

这就是锻造跨学科仿生工程再生科学(FIBERS)团队看到机遇的地方。

利格勒说:“一旦我们掌握了材料和制造技术，我们就能真正超越再生医学界的发展。”

3D印刷符合非织造材料

为了应对组织工程面临的挑战，FIBERS团队正在使用两项NC State特别擅长的技术:3D打印和非织造纺织品。

利用3D打印机，研究人员可以精确地复制核磁共振成像或CT扫描的形状和结构。Shirwaiker说，这种控制是至关重要的，但传统的3D打印机可能无法恰当地捕捉组织工程所要求的微小尺度的特征。

“通过传统的3D打印，这就是你遇到障碍的地方，”Shirwaiker说。“你可以制作的特征尺寸可以是太大的数量级。”

这是一个特殊的问题在指数达到现有的点。Shirwaiker和Matt Fisher是一个生物医学工程助理教授，一直在探索不同的3D打印策略，使营养和肌腱等组织。在斯蒂芬遇到骨头的地步，Fisher表示，从弦乐的纤维状纹理到骨骼的突然过渡。

“这就是它成为一个非常困难的工程问题的原因，”他说。

最终，该团队达到了现有的3D印刷和非织造制造业的限制。所以他们建造了自己的机器，支持游戏改变研究激励计划(GRIP)是北卡州研究和创新办公室、国际RTI和凯南工程、技术和科学研究所的伙伴关系。

他们建造的是一台先进的3D打印机。无纺布研究所执行主任、纤维项目的首席研究员贝纳姆·普尔德希米(Benham Pourdeyhimi)说，它与传统3D打印机的主要区别在于形成纤维的方式。

fiber团队设计的这台机器在纤维层的大小、形状和方向上提供了更多的变化，最终形成一个物体。这增加了对建筑、方向和尺寸的控制，使团队能够建造与他们打算替换和再生的天然纤维更好匹配的结构。Pourdeyhimi说，这也是该项目迄今为止取得的最重大进展，而且该工艺的特性还有待申请专利。该团队还就他们能够用该机器生产的特定纤维几何形状申请了第二项专利。

Pourdeyhimi说:“我们在小型GRIP机器上学到的东西，在大型飞行员机器上永远无法轻易做到。”“所以我听到几声‘啊哈!的时刻。‘哇，如果我能在更大范围内做到这一点，就会为其他应用打开这个领域之外的机会。’”

在解决这些问题的同时如何向工程师新的脚手架，团队也摔跤什么他们应该是由。断头台的任务是短暂而敏感的。一旦植入，它需要承载负荷，刺激和塑造细胞生长，从体内吸收其他细胞，然后当新的组织能够独立运作时消失。它需要在不破坏周围任何细胞和系统的情况下完成这一切。

众多因​​素决定了给定的材料是否符合这项工作，称BehnamPindeyhimi表示：

• 坚固性：材料中的毛孔足够大，以允许组织生长吗？
• 加工温度:支架材料能否在足够低的温度下制造，以避免与之混合的细胞受损?
• 而且，如果我们不得不诉诸解决方案吹，它是如何与溶剂互动的？

为了开发符合这些需求的材料，Pourdeyhimi需要扭转大量通知非织造布研究所的最常见项目。商用空气和水过滤器，弥补了NWI工作的战略份额，需要大量的材料微小的毛孔。

“我们正在学习如何加工以前从未加工过的材料，”Pourdeyhimi说。“我们已经学会了如何操纵它们，并使用行业需要使用的更多的生物友好型聚合物。”

跨学科方法

组织工程本身是几个学科的交叉点:生物学、纺织学和医学，举三个例子。为了应对该领域的重大挑战，该团队本身就需要跨越学术界限。

普尔德希米说:“我们是以合作的方式工作的，因为没有一个人能够单独解决我们正在解决的问题。”

Fisher是翻译再生医学中的教师集群的一部分，他在3D印刷组织上与Shirwaiker的工作预测了纤维倡议。Pourdeyhimi和Ligler邀请他们形成核心团队。

随着团队的整合，研究人员发现，他们带来的不仅仅是不同的技能。他们说着不同的语言，Fisher说。“scale”就是一个很好的例子。在他自己的实验室里，费雪花了数小时制作一个表面积最多只有几毫米的支架。他说，他面临的挑战是扩大这个艰苦的过程，“这样我们就可以以相对较低的成本生产一大堆支架。”

Fisher补充道:“我们与Pourdeyhimi博士讨论了扩大规模的问题。”“他说，‘不，你说的是缩减规模。’当他们谈到规模时，他习惯于在一天内生产大量材料。”

该团队还包括来自NC州的兽医学院和UNC的UNC Burn Center和UNC的UNC Bush Center和UNC的UNC学校，每周举行兽医学院。这些会议的基调与其他学术努力的不同利润者经历过。

她说:“在非织造品和生物制品的制造领域，人们之间存在着真正的相互妥协。”“‘你需要什么?度量标准是什么?你能帮我们测试一下吗?’这是非常迭代的。”

纤维的未来

为此，研究团队的工作侧重于创新，以提高每年获得更换软组织的数十万人的生活质量。但他们知道还有其他需要的人。

根据器官采购和移植网络的数据，目前大约有11.4万美国人在等待器官移植。根据过去十年的平均数据，今年只有不到三分之一的国家能找到捐助者。

他们的选择有限，他们的赔率很长。这是为了他们，工程组织和器官占据最大的承诺。NC州和UNC-CH研究团队正在寻求支持满足他们的需求。

纤维公司的研究人员已经向美国国家科学基金会申请资金，以便在北卡罗来纳州建立一个再生组织工程的国家中心。该中心将汇集其他9所大学和工业伙伴，建立基于GRIP概念的主要设施，并创建一个中央图书馆和支架新材料和规格的数据库，研究社区可以在新结构的发展上相互作用和合作。

它还将开发生产能力,大规模,支架可以增长不同的组织类型,从年轻运动员前交叉韧带的唯一选择是组织从尸体,为transplant-seeking再生肝脏病人可能没有其他的选择。

“我认为这是为了滚雪球，”Pourdeyhimi说。“我希望它将雪球滚成我们的团队，即NC州和国家的队伍。”