Eine revolution in der regenerativen Medizin
Jedes Jahr in den Vereinigten Staaten, Hunderte von tausenden von Menschen lernen, dass der Schmerz in Ihrem Knie oder Schulter, ist ein weiches Gewebe, das Sie reparieren oder ersetzen.
Chirurgische Fortschritte gemacht haben, den Prozess zu ersetzen den Verletzten sehnen und Bänder ziemlich routine. Aber die Wissenschaft hinter der Schaffung des neuen Weichteile (einschließlich der Haut) nach vorne bewegt hat, mehr langsam.
Und das ist, wo ein interdisziplinäres team von Forschern an der NC State University und der University of North Carolina in Chapel Hill gefunden hat, eine potenziell transformative Chance. Gezeichnet von biomedizinischen und industriellen engineering, Textil-und Veterinärmedizin, die Gruppe wird erforschen, wie sich zu bewerben 3-D-Druck-und Vliesstoff-Faser-Herstellung zum erstellen von neuen Gewebe, die wachsen können, in den menschlichen Körper.
Es gibt drei Komponenten, die im tissue-engineering, nach dem National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB): Gerüste, – Zellen und-aktive Moleküle, die weiter fördern das Zellwachstum. Die drei arbeiten zusammen und generieren neue Gewebe, die mit dem Gerüst geben form und Struktur der Gewebe Wachstum katalysiert durch das aktive Moleküle.
Zwei eng miteinander zusammenhängende Fragen geführt haben, die die Arbeit des Teams: Wie können Sie die Herstellung von Geweben an mehrere Skalen, von Mikro zu nano, mit der Geschwindigkeit und Wiederholbarkeit? Und was soll diese Gerüste werden aus?
Der Fokus wurde auf die Schaffung Gerüste, die form und die Richtung zum Gewebe Wachstum. Verschiedene Gewebe haben unterschiedliche Formen und unterschiedliche Kompositionen auf mehreren Skalen.
„In der Abwesenheit von Gerüsten“, sagte Rohan Shirwaiker, associate professor of industrial and systems engineering, „könnten wir noch bekommen, Knochen, Zellen und wachsen Sie auf einer Petrischale. Und Sie vermehren sich, aber Sie nicht wirklich wachsen und form der Knochen, die wir brauchen.“
Heute sind die meisten transplantierten Geweben stammen von Leichen oder den Patienten selbst. Es gibt einige Fortschritte bei der Verwendung von Stammzellen zur Reparatur beschädigter Gewebe. Weder Ansatz liefert die Ebene der Anpassung, die der menschliche Körper verlangt, sagte Fran Ligler, Lampe Distinguished Professor in die gemeinsame Abteilung der biomedizinischen Technik an der NC State und UNC-Chapel Hill.
Das ist, wo die Schmieden Interdisziplinären Bio-inspired Entwickelt, Regenerative Science (FASERN) team sah seine Chance.
„Nachdem wir in den Griff bekommen, sowohl die Materialien und die Fertigung, wir können wirklich zu überholen, was in der regenerativen Medizin Gemeinschaft,“ Ligler sagte.
3-D-Druck erfüllt nonwoven-Materialien
Zu erfüllen die Herausforderung für das tissue engineering, die FASER-team ist mit zwei Technologien, wo der NC State hat eine Besondere Stärke: 3-D-Druck-und nonwoven-Textilien.
Mit einem 3-D-Drucker, ein Forscher kann genau reproduzieren die Formen und Strukturen im MRI oder ein CT-scan. Dass die Kontrolle ist wichtig, Shirwaiker gesagt, aber traditionelle 3-D-Drucker können nicht angemessen-capture-Funktionen auf die winzige Skala, die tissue-engineering-Anforderungen.
„Mit herkömmlichen 3-D-Druck, das ist, wo Sie in Straßensperren,“ Shirwaiker sagte. „Die Funktion, die Größe, die Sie machen können um eine Größenordnung zu groß.“
Das ist ein besonderes problem an den Punkten, wo engineered Gewebe erfüllen bestehende. Shirwaiker und Matt Fisher, assistant professor für biomedizinische Technik, wurde die Erforschung verschiedener 3-D-Druck-Strategien zu Geweben, wie Meniskus und sehnen. An der Stelle, wo die Sehne trifft Knochen, Fisher schon sagte, gibt es einen abrupten übergang vom strähnigen, faserigen textur des Weichgewebes an den Knochen.
„Das ist, was macht es eine sehr schwierige technische problem“, sagte er.
Schließlich erreichte das team die Grenzen des bestehenden 3-D-Druck-und nonwoven-Herstellung machen könnte. So Bauten Sie Ihre eigene Maschine, die mit Unterstützung der Spiel-Ändernde Forschung Incentive-Programm (GRIP), eine Partnerschaft von der NC State Office of Research und Innovation, RTI International und der Kenan Institut für Technik, Technologie und Wissenschaft.
Was Sie gebaut wird, ist im wesentlichen eine erweiterte 3-D-Drucker. Der Hauptunterschied zwischen ihm und der traditionellen 3-D-Drucker ist der Weg, es bildet Fasern, sagte Benham Pourdeyhimi, executive director der Nonwovens-Institut und der principal investigator für das Projekt FASERN.
Die FASERN team entwickelt seine Maschine zu bieten mehr Vielfalt in Größe, Form und Orientierung der Schichten von Fasern, die letztlich die form eines Objekts. Das erhöht die Kontrolle über Architektur, Ausrichtung und Größe ermöglicht die team-build-Struktur, die besser an die natürlichen Fasern, Sie sind mit dem Ziel, zu ersetzen und zu erneuern. Es ist auch der bedeutendste Fortschritt des Projekts so weit, Pourdeyhimi sagte, und es gibt auch ein angemeldetes patent auf die Eigenschaften des Prozesses. Das team hat sich auch für ein zweites patent auf die speziellen fasergeometrie, Sie habe in der Lage zu produzieren mit der Maschine.
„Was haben wir gelernt, auf dem kleinen GRIFF der Maschine können wir nicht auf eine big pilot die Maschine leicht,“ Pourdeyhimi sagte. „Also für mich gab es ein paar „Aha!“ – Momente. „Wow, wenn ich das machen könnte in einem größeren Maßstab, es eröffnet Möglichkeiten, die außerhalb dieser domain, für andere Anwendungen.““
Während der Arbeit über diese Themen wie Ingenieur, neue Gerüste, das team auch Rang mit dem, was Sie sein sollte aus. Leske ‚ s mission ist vergänglich und empfindlich. Einmal eingesetzt, braucht es zu tragen laden, Funke und Form das Wachstum der Zellen, rekrutieren andere Zellen im Körper, die dann verschwinden, wenn das neue Gewebe ist in der Lage, allein die Funktion. Und es braucht, alles zu tun, ohne dass eine der Zellen und Systeme um ihn herum.
Zahlreiche Faktoren bestimmen, ob ein material bis zu dem job, sagte Behnam Pourdeyhimi, Festigkeit: Sind die Poren in das material groß genug, um Gewebe Wachstum? Verarbeitung Temperatur: Kann das Gerüst material hergestellt sein, um einen ausreichend niedrigen Temperatur, um Schäden zu vermeiden-Zellen vermischt werden? Und, wenn wir zurückgreifen müssen, um die Lösung bläst, wie ist das Zusammenwirken mit Lösungsmittel?
Entwickeln ein material, das diese Anforderungen erfüllen, Pourdeyhimi benötigt, um reverse-viel von dem, was informiert die häufigsten Projekte am Nonwovens Institute. Kommerziellen Luft-und Wasserfilter, die bis zu einer strategischen Anteil von NWI arbeiten, Nachfrage große Mengen von Materialien, die mit winzigen Poren.
„Wir lernen, wie wir verarbeiten Materialien, die wir noch nie verarbeitet, bevor“, sagte Pourdeyhimi. „Wir haben gelernt, wie Sie zu manipulieren und verwenden mehr biofriendly Arten von Polymeren, die Industrie hätte verwenden müssen.“
Ein interdisziplinärer Ansatz
Tissue engineering selbst sitzt an der Schnittstelle mehrerer Disziplinen: der Biologie -, Textil -, und Medizin, Namen drei. Zur Bewältigung der großen Herausforderungen, die das team benötigt, um cross akademischen Grenzen selbst.
„Wir arbeiten in einer kooperativen Art und Weise, denn keine einzelne Person kann die Probleme lösen, die wir lösen,“ Pourdeyhimi sagte.
Fisher ist Teil der Fakultät cluster im Bereich der translationalen regenerativen Medizin und seine Arbeit mit Shirwaiker auf 3-D-Druck von Geweben, die älter als die GLASFASER-initiative. Pourdeyhimi und Ligler eingeladen, Sie bilden den Kern-team.
Als das team sich zusammengeschlossen, fanden die Forscher, dass Sie nicht nur bringen unterschiedliche Fähigkeiten. Sie Sprachen verschiedene Sprachen, Fisher sagte. Das Wort „Skala“ ist ein gutes Beispiel. In seinem eigenen Labor, Fisher verbringt Stunden mit dem erstellen von einem einzigen Gerüst mit einer Fläche von wenigen Millimetern bei den meisten. Seine Herausforderung war, die Skalierung, die mühsam bis „so können wir produzieren eine ganze Reihe von Gerüsten auf einem relativ niedrigen Kosten“, sagte er.
„Wir Sprachen mit Dr. Pourdeyhimi über scaling-up“, Fisher Hinzugefügt. „Und er sagte, „Nein, was du redest, ist die Skalierung nach unten.“ Wenn Sie sprechen über die Skala er verwendet, um die Herstellung großer Mengen von Materialien in einem einzigen Tag.“
Das team, zu dem auch Dozenten aus dem College of Veterinary Medicine an der NC State und die Schule der Apotheke, die UNC-Burn Center -, und Orthopädie-Abteilung bei UNC, trifft sich wöchentlich. Der Ton dieser treffen unterscheidet sich von anderen wissenschaftlichen Bemühungen Ligler erlebt hat.
„Es ist ein echtes geben und nehmen zwischen den Menschen auf der Herstellerseite, in nonwovens, sowie in der Biologie,“ sagte Sie. „“Was brauchen Sie? Was sind die Kennzahlen? Können Sie testen, diese für uns?“ Es ist sehr iterativ.“
Die Zukunft der Fasern
Zu diesem Zeitpunkt an der Arbeit des Forschungsteams konzentriert sich auf Innovationen, die die Lebensqualität für die Hunderte von tausenden von Menschen, die bekommen Ersatz Weichteile jedes Jahr. Aber Sie wissen, es gibt eine Bevölkerungsgruppe mit einem erhöhten Bedarf.
Jetzt, etwa auf 114.000 Amerikaner sind die Wartezeiten für Organtransplantationen, gemäß der Orgel Beschaffung und Transplantation Netzwerk. Basierend auf Durchschnittswerten aus den letzten zehn Jahren, weniger als ein Drittel von Ihnen finden einen Spender in diesem Jahr.
Ihre Möglichkeiten sind begrenzt, und Ihre Verschiedenheit ist lang. Es ist für Sie, dass engineered Gewebe und Organe halten das größte Versprechen. Die NC State-UNC-CH research-team sucht Unterstützung, um Ihre Bedürfnisse zu erfüllen.
https://www.youtube.com/embed/isi8w3GTfrE?color=white
Die FASERN Ermittler beantragten Finanzierung von der National Science Foundation, um die Einrichtung einer nationalen Drehscheibe für regenerative tissue engineering an der NC State. Hub bringen würde, zusammen mit 9 anderen Universitäten und Partnern aus der Industrie zu bauen, wichtige Einrichtungen basiert auf dem GRIP-Konzept und erstellen Sie eine zentrale Bibliothek und Datenbank mit neuen Materialien und Spezifikationen für Gerüste, mit denen die Forschungs-community zu interagieren und gemeinsam an der Entwicklung der neuen Strukturen
Es würde auch der Entwicklung der Fähigkeit zu produzieren, auf einer Masse-Skala, die Gerüste, die wachsen konnte eine Reihe von verschiedenen Gewebe-Arten, von der vorderen Kreuzbänder für junge Sportler, deren einzige Optionen sind Gewebe aus Leichen, um regeneriert Leber zur Transplantation-sucht-Patienten, die keine anderen Optionen haben auf alle.