3D 프린팅을 이용한 인공 연골

예를 들어 손상된 연골을 교체하기 위해 실험실에서 조직을 성장시키는 것이 가능합니까? TU Wien(비엔나)에서는 이제 전 세계에서 사용되는 다른 방법과 크게 다른 기술을 사용하여 실험실에서 대체 조직을 만드는 중요한 단계를 밟았습니다.

특별한 고해상도 3D 프린팅 공정을 사용하여 생체 적합성 및 분해성 플라스틱으로 만들어진 작고 다공성 구체를 만든 다음 세포로 식민지화됩니다. 이러한 회전타원체는 어떤 기하학적 구조로도 배열될 수 있으며, 다양한 단위의 세포가 원활하게 결합되어 균일하고 살아있는 조직을 형성합니다. 현재 TU Wien에서 이 개념이 입증된 연골 조직은 이전에는 이 점에서 특히 어려운 것으로 간주되었습니다.

세포의 발판 역할을 하는 작은 구형 케이지

“줄기세포로부터 연골 세포를 배양하는 것은 가장 큰 도전은 아닙니다. 가장 큰 문제는 일반적으로 결과 조직의 모양을 거의 통제할 수 없다는 것입니다.”라고 TU Wien 소재 과학 기술 연구소의 Oliver Kopinski-Grünwald는 말합니다. 현재 연구의 저자. “이것은 또한 그러한 줄기 세포 덩어리가 시간이 지남에 따라 모양이 바뀌고 종종 줄어들기 때문입니다.”

이를 방지하기 위해 Wien 공대 연구팀은 새로운 접근 방식을 사용하고 있습니다. 특별히 개발된 레이저 기반 고해상도 3D 프린팅 시스템을 사용하여 미니 축구처럼 보이고 직경이 1/3에 불과한 작은 새장 같은 구조를 만듭니다. 밀리미터. 지지 구조 역할을 하며 어떤 모양으로든 조립할 수 있는 소형 빌딩 블록을 형성합니다.

줄기세포는 먼저 이 축구 모양의 미니 케이지에 도입되어 작은 부피를 빠르게 완전히 채웁니다. 3D 프린팅 및 바이오제조 부문 책임자인 알렉산드르 오브시아니코프(Aleksandr Ovsianikov) 교수는 “이런 방식으로 세포가 고르게 분포되고 세포 밀도가 매우 높은 조직 요소를 안정적으로 생산할 수 있습니다. 이전 접근 방식으로는 불가능했을 것입니다.”라고 설명합니다. TU Wien의 연구 그룹.

완벽하게 함께 성장

연구팀은 분화된 줄기세포, 즉 더 이상 어떤 유형의 조직으로도 발달할 수 없지만 이미 특정 유형의 조직(이 경우 연골 조직)을 형성하도록 미리 결정되어 있는 줄기세포를 사용했습니다. 이러한 세포는 의료 응용 분야에서 특히 흥미롭지만 연골 세포의 경우 더 큰 조직을 만드는 것이 어렵습니다. 연골 조직에서 세포는 서로 다른 세포 회전타원체가 원하는 방식으로 함께 성장하는 것을 종종 방지하는 세포 사이의 메쉬형 구조인 매우 뚜렷한 세포외 기질을 형성합니다.

3D 프린팅된 다공성 구체가 원하는 방식으로 세포로 식민지화되면 구체는 원하는 모양으로 배열될 수 있습니다. 이제 중요한 질문은 서로 다른 회전타원체의 세포도 결합하여 균일하고 균질한 조직을 형성하는가입니다.

Kopinski-Grünwald는 “이것이 바로 우리가 처음으로 보여줄 수 있는 것입니다.”라고 말했습니다. “현미경으로 보면 매우 명확하게 볼 수 있습니다. 인접한 회전 타원체가 함께 성장하고, 세포가 한 회전 타원체에서 다른 회전 타원체로 또는 그 반대로 이동하며, 원활하게 연결되어 구멍 없이 닫힌 구조를 형성합니다. 다른 방법과 달리 지금까지 사용된 방법에서는 인접한 세포 덩어리 사이에 눈에 보이는 경계면이 남아 있습니다.”

작은 3D 프린팅 스캐폴드는 조직이 계속 성숙되는 동안 전체적인 구조에 기계적 안정성을 제공합니다. 몇 달이 지나면 플라스틱 구조가 저하되고 사라지며 완성된 조직은 원하는 모양으로 남게 됩니다.

의료 응용을 향한 첫 걸음

원칙적으로 새로운 접근 방식은 연골 조직에만 국한되지 않고 뼈 조직과 같은 다양한 종류의 더 큰 조직을 맞춤화하는 데에도 사용될 수 있습니다. 그러나 아직 해결해야 할 과제가 남아 있다. 결국 연골 조직과 달리 일정 크기 이상의 조직에는 혈관도 들어가야 하기 때문이다.

Oliver Kopinski-Grünwald는 “초기 목표는 부상 후 기존 연골 물질에 삽입할 수 있는 작은 맞춤형 연골 조직 조각을 생산하는 것”이라고 말했습니다. “어쨌든 이제 우리는 구형 마이크로 스캐폴드를 사용하여 연골 조직을 생산하는 방법이 원칙적으로 작동하고 다른 기술에 비해 결정적인 이점이 있음을 보여줄 수 있었습니다.”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/02/240212133139.htm