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3D生物打印在医疗创新的前沿

一位理论科学家和一位实验工程师联手解决公共卫生问题.

圣扎迦利Geffert, Anna-Blessing Merife和Pranav Soman在实验室里观察Chris Santangelo在黑板上写数学公式.

普拉纳夫·索曼教授和克里斯·桑塔吉洛教授(中间和最右)与Ph.D. 学生圣扎迦利Geffert和Anna-Blessing Merife.

超过106,000名美国人正在等待救命的器官移植, 每9分钟就有一个新名字加入名单. 需求很关键, 雪城大学教授Pranav Soman解释道, 包括各个年龄段的人, 性别, 种族和民族. “死于器官疾病的人和需要器官移植的人一样多. 这是一个巨大的公共健康问题,”他补充道.

索曼希望他的工作在 工程与计算机科学学院“, 将拯救生命. 这位获奖的研究人员因其在3D生物打印领域的贡献而闻名,3D生物打印是一个有机和生物材料结合起来创造模仿人类细胞和组织的人工结构的新领域. 他的目标是打印出一个完全生物兼容的3D器官.

为了实现这一目标,索曼开发了一个3D生物打印技术工具箱. 不像3D打印(输出塑料等材料), 陶瓷和金属), 3D生物打印依赖于生物墨水-细胞负载的物质,可以操纵打印用于医疗等应用的3D结构, hearing loss and dental implants; artificial joints; and nerve-stimulating devices.

“生物打印是器官移植的未来,”索曼说 生物医学和化学工程 2013年教师.

智能、多功能材料依赖于丰富的协作. 365体育彩票越是跨学科,就越能更好地应对当今的挑战.

教授Pranav索曼
Geffert和Merife在白板上写数学公式.

Merife和Geffert是索曼研究小组的成员, 谁的3D生物打印应用是科学和医学界的福音.

像阴阳一样

作为一个坚定的实验主义者,索曼依靠直接经验和经验证据而茁壮成长. 然而,他的工作要归功于著名的理论家克里斯·桑塔吉洛(Chris Santangelo) 物理学家文理学院. 这两者就像阴阳, 在生物材料研究中代表着通往同一目标的不同路径.

2019年,圣安杰洛带着微型非生物物体的专业知识来到雪城大学, 包括折纸和自折叠材料, 机械超材料, 和液晶. “我观察这些材料如何改变形状和功能, 对热或湿气等刺激的反应,”他说, 他补充说,他的工作被用来创造 帮助控制出血的生物材料 还有可折叠的折纸结构,可以保持动脉畅通.

学院软与活物质小组成员, 桑塔吉洛承认纯数学和物理之间的联系. 他的许多研究都借鉴了几何学和拓扑学(通过变形而保留的性质的研究), 物体的扭曲和拉伸). 桑塔吉洛使用的一种技术是DNA折纸, 通过计算,DNA长链被折叠成任意的模式. 这个过程使他能够设计纳米结构,比如 在活的有机体内 生物传感器和药物输送容器,就在几周之内.

死于器官疾病的人和需要器官移植的人一样多. 这是一个巨大的公共健康问题.

教授Pranav索曼

拥有研究经验

理论和实验的相互作用在这所大学的课程中得到了充分的展示 BioInspired研究所在那里,桑塔吉洛和索曼负责智能材料跨学科研究小组. 与来自不同领域和机构的科学家合作(包括纽约州立大学北部医科大学和纽约州立大学环境科学与林业学院), 这两家公司的目标是替换或修复因年龄增长而受损的身体部位, 疾病或创伤.

圣扎迦利Geffert博士.D. 的学生 生物工程,把桑塔吉洛和索曼分别比作建筑师和工程师. “假设架构师对一个应用程序或一个需要解决的问题有一个想法. 他和工程师交谈, 谁, 反过来, 在最先进的技术范围内建立了一个真实的实验,”Geffert说, 谁正在接受生物打印职业培训. “如果这些能力达不到标准, 普拉纳夫教授用新东西把他们从水里打了出来.”

索曼在他位于鲍恩大厅的实验室里对提到丰富的跨学科交流微笑着. BioInspired组织研讨会和头脑风暴会议——任何能让不同背景的人一起工作的活动,”他说. “365体育彩票希望学生拥有研究经验.”

索曼博士之一.D. 学生是Anna-Blessing Merife, 他帮助纽约州立大学北州分校的教员打印3D微流体设备用于眼睛和骨组织. 微流体学研究流体力学, 它们的体积通常比普通液滴小几千倍.)“该领域对药物开发有重大影响, 疾病建模和个性化医疗,这位踌躇满志的教授说. “感谢BioInspired,我正在实现我的职业目标.”

演技抱有创业

索曼正与他的公司将微流体技术推向市场, 的3 d微流体, 他和以前的学生郑雄G’21. 该公司的技术在多个领域提供应用, 包括基本的细胞生物学, 药物筛选, 细胞治疗, 毒性测试和再生医学. 微流控芯片, 在微观和纳米水平上模拟器官功能, 也即将到来.

索曼在盘子里拿着微流控芯片的特写.

微流控芯片在微观层面上模拟器官功能.

和索曼教授一起工作让我可以做我擅长的事——成为一名工程师,解决问题. 他激励我去探索未知.

圣扎迦利Geffert, Ph值.D. 生物工程的学生

此外, 索曼对3D陶瓷打印的兴趣促成了与俄亥俄州赖特-帕特森空军基地的合作, 他是那里2022年的暑期教员. 虽然不像金属和塑料那么容易塑形, 陶瓷材料以其独特的性能而闻名. “陶瓷是便携式电子设备的完美选择,因为它们耐用、耐热,索曼说, 谁是Geffert的同事. “它们还提供极好的电气绝缘.”

杰弗特补充道:“与索曼教授合作让我可以做我擅长的事——成为一名工程师并解决问题. 他激励我去探索未知.”

成功负责

和索曼一样,桑塔吉洛利用BioInspired的合作精神来快速推进小说创意. 其中一些获得了国家科学基金会(NSF)的慷慨支持。, 国立卫生研究院和国防部.

他的一个项目涉及雪城大学的同事, 宾夕法尼亚大学和科罗拉多大学博尔德分校. 这个由美国国家科学基金会支持的团队正在使用柔软的、可延展的材料来制造一个机器人床. “在医院里给病人翻身是最危险的工作之一,”Santangelo说, 注意到护理人员受伤, 像扭伤, 菌株和泪水, 花费了你.S. 医疗保健行业每年约90亿美元. “365体育彩票正在设计一种可以动态改变形状的表面, 让病人可以很容易地重新定位.”

这就是桑塔吉洛喜欢他的工作的原因——研究不可变的方程. “作为一名理论家的美妙之处在于,数学总是一样的, 相同的几何, 相同的物理. 我只是以不同的方式运用这些原则。. “我用了大量的高中几何知识.”

微分几何, 光滑学:对光滑形状和空间的研究, 这在他进军柔性电子产品方面表现突出. Think ultrathin wearable devices; artificial skin and muscles; and soft, deformable robots. 令人惊讶的是,柔性电子技术与几个世纪前的机械计算并没有太大的差别.

365体育彩票正在设计一个可以动态改变形状的表面, 让病人可以很容易地重新定位.

教授克里斯Santangelo

“其中一些概念——就像简单的逻辑, 机械计算系统的核心——在软材料领域卷土重来,索曼说, 指易受热应力和波动影响而变形的物质. “例如,体温传感器只不过是一台简单的计算机. 它不需要技术上复杂的芯片和软件. 为什么要消耗大量的能量,在你不需要的时候把化学物质放进你的身体里?”

桑塔吉洛和索曼都认为,仅仅生产易于使用的产品是不够的. 负责任的工程对人类健康和环境的风险最小. “365体育彩票总是在考虑经济增长之间的平衡, 环境保护和社会责任,”索曼总结道. “智能、多功能材料依赖于丰富的协作. 365体育彩票越是跨学科,就越能更好地应对当今的挑战.”

Rob Enslin

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