千乘镜像 | 不一样的生物3D打印技术

2023-03-10 13:31:20

生物3D打印是3D打印技术最前沿的研究领域,它是将生命科学、材料科学、制造科学交叉融合的新兴产物。随着科学技术的发展,生物3D打印技术在医疗模型和体外医疗器械的制造、永久植入物的制造、组织工程支架的制造方面具有广泛实用性。此外,生物3D打印技术给器官移植等医学领域的发展提供了新的思路及方法,并且随着对多细胞、多材料、高度复杂体系背后机制的探索和理解,生物3D打印技术也在快速发展更新迭代以期带来革命性突破。本文即对生物3D打印技术的特点及应用进行简要的介绍。

⽣物打印是⼀个不断发展的领域,对医疗和制药产⽣了⾰命性的影响,并在世界范围内引起了⼴泛关注。对于3D生物打印的概念可以从广义和狭义两个方面来进行解释。从广义上说服务于生物医疗领域的3D打印(增材制造)就是生物3D打印;狭义上说生物3D打印特指操纵活细胞打印活性三维结构的过程,也就是所谓的载细胞打印,也可称为细胞打印,或器官打印。它可以更好地引导细胞、蛋⽩质、DNA、药物颗粒、生长因子和生物活性物质等形成组织并生长。通过制造科学与生命科学的结合,该技术可用于制造、修复人体缺损的组织或器官等。随着生命科学与制造科学的快速发展,尤其是基于离散-堆积原理的生物制造技术在生命科学领域的日益广泛应用,生物3D打印技术发展迅速,现已成为21世纪最具发展潜力的前沿技术之一。

图一

区别于一般3D打印技术,生物3D打印技术生产的组织器官具有一定的生物学功能,可为细胞和组织的进一步生长提供条件。细胞或组织培养过程中,由于不同的细胞会选择性表达不同的基因,导致其微结构的组成和功能也会随时间的推移而发生变化。另外,由于基因和建造3D模型的不同,通过3D生物打印技术生产的组织或器官还具有物理、化学及个性化制造等特性。这些特性决定了生物3D打印技术将面临一些技术上的挑战,与此同时也说明其具有巨大的潜力以及广阔的发展前景。

依据材料生物学特性和发展,清华大学的孙伟教授将生物3D打印技术的功能及应用分为了4个层次。第1层次:医疗模型和体外医疗器械的制造,使用生物不相容、非降解材料;第2层次:永久植入物的制造,使用生物相容,但非降解的材料;第3层次:组织工程支架的制造,使用生物相容且可降解的材料;第4层次:体外生物结构体的制造,使用细胞、蛋白及其他细胞外基质。接下来将分别对生物3D打印技术在上述4个方面的典型应用进行介绍。

第1层次是打印无生物相容性要求的材料,不用放在身体里,没有特殊的生物学需求。3D生物打印技术可以根据所建模型来打印复杂形状并且可以通过选择合适的材料使模型具有良好成型性,因此可应用于3D打印体外病例模型、手术导板、3D打印体外假肢或矫形辅具等领域,该层次的应用极大的发挥了3D打印在个性化定制方面的优势。

例如利用三维体外模型来制造和设计假肢就可以完全依靠实物的模型去设定假肢,并来确定其装订位置。世界上第一家推出3D打印仿生手臂的公司Open Bionics生产了‘Hero Arm’英雄手臂,利用3D扫描和3D打印技术,该公司已成功地大幅降低了建造机器人假肢的成本,使得仿生肢体能够被英国和国外的国家医疗保健系统所覆盖。这种被称为‘Hero Arm’的3D打印手臂,结合了功能性、舒适感的设计理念。并且它是可定制的,包括检测肌肉运动的传感器,从而提供更多便利,它甚至能够举起8公斤重的东西。

图二,Open Bionics生产的‘Hero Arm’英雄手臂

第2层次是打印具有很好的生物相容性,即可以放在体内但是不会降解的材料。此类打印产品可以作为体内永久植入物,材料可以为钛合金等金属材料,也可以是高分子等惰性材料。

在此层次最为广泛的应用就是人工关节植入体。例如我们对于小耳畸形的修复,传统的治疗方法是等病人6~7岁时将其软骨取出,把软骨雕刻成耳朵的形状,再将其植入到皮下去。这种方法的缺点就是需要两次手术,并留下永久性疤痕。现在则可以利用生物3D打印技术结合病人的模型数据来建构病人的健康耳朵模型并进行打印,例如普林斯顿大学设计出采用不同的喷头混合打印,同时打印支撑材料、牺牲层材料和细胞,最后成功将软骨细胞和导电聚合物打印成耳朵形状,制造出的耳朵具有部分听力功能。

图三,生物和电子的三维交织通过增材制造产生仿生耳朵。(A) 仿生耳的CAD图。(B) (上)用于形成仿生耳的功能材料的光学图像,包括生物性材料(软骨细胞)、结构性材料(硅胶)和导电性材料(AgNPs注入的硅胶)用来形成仿生耳朵。(下)用于打印过程的3D打印机。(C) 3D打印仿生耳朵的示意图。

第3层次是打印具有良好生物相容性且可降解的生物材料。此材料降解后可以被身体消化排出,其作用是帮助组织再生,主要的应用领域为打印组织工程支架,例如活性陶瓷骨、可降解的血管支架。其要求打印的体内植入物不仅能与体内相容,还要具有降解特性,在体内一定时间能促进体内缺损组织的生长和愈合。

例如由清华大学生物制造中心独创的3D打印低温沉积制造技术,此技术集成了生物3D打印与冷冻干燥微观制孔技术的优势,可以满足同时具有宏观可控空隙(百微米级)与微观微丝空隙(十微米级)的组织工程支架的3D打印需求。此技术提高了细胞种植在支架内的概率,使细胞可以在支架内部更好的生长并实现其组织功能。与此同时,冷冻干燥的方法可以适用于更多的材料如聚乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA、聚氨酯PU、聚乳酸PLA等,扩大了适用此工艺的材料多元性。此外,还可以通过支架结构的设计来控制支架的降解速度和力学性能,从各方面满足理想的骨组织工程支架材料要求。

图四,低温沉积3D打印的骨支架

第4层次是打印活性细胞、蛋白及其他生物活性分子等,该层次的生物3D打印技术也被称作细胞3D打印技术。细胞3D打印技术可以直接将细胞、蛋白及其它具有生物活性的材料(例如DNA、生长因子等)作为3D打印的基本单元,以3D打印的方式,直接构建体外生物结构体、组织或器官模型。生物3D打印技术将快速成型技术和生物制造技术相结合,为体外生物体构造带来了希望,在生物医学的基础和应用研究中有着广阔的发展前景。

皮肤是人体最大的器官,作为第一道防御屏障,在免疫系统中起着重要作用。划痕、烧伤、糖尿病足溃疡和皮肤坏死是皮肤缺陷的主要原因,需要大量的皮肤替代品进行治疗。功能性皮肤模型的基础是具有真皮和表皮的双层结构,这种典型的分层结构非常适合采用生物3D打印技术来制造。例如用激光直写式生物打印方法,将成纤维细胞和角质细胞混在胶原里打印成分层结构,研究结果表明,细胞可以很好地增殖生长,并且可以形成细胞连接。此外,研究人员还开发了一种多喷头的挤出打印装置,可将皮肤的成纤维细胞层和角质细胞层交替打印,制造成的皮肤结构在伤口敷料和药物测试应用中有着很好的应用前景。

图五,Lee等开发了一种多喷头的挤出打印装置,将皮肤的成纤维细胞层和角质细胞层交替打印。

肿瘤是全球第二大死因,是威胁人类健康的主要公共卫生问题之一,因此对于肿瘤的研究一直是一个热点话题。对于传统的二维肿瘤模型来说很难真实的反应其复杂的结构,这给肿瘤致病机理的研究以及肿瘤药物的开发、筛选及评价带来了很大的困难。随着生物3D打印技术的发展,有许多肿瘤模型可以在体外被构造,并且可以表达出细胞间的相互作用关系以及细胞与微环境的相互作用关系,这很好的解决了上述的难题。例如用挤出打印的方法将宫颈癌细胞打印成了三维结构,研究结果表明,在三维状态下细胞以球形结构生长,具有增殖能力,并对紫杉醇展示出抗药性,这些特性接近于体内肿瘤的真实特征。目前肝癌模型、胶质瘤模型、宫颈癌模型和卵巢癌模型等都已被成功构建,肿瘤模型与生物3D打印技术的融合为肿瘤致病机理的研究以及药物筛选提供了新的有利的工具。

图六,体外构建的肿瘤血管模型

目前器官移植只能通过器官捐赠来实现,器官移植的缺口非常大,并且现代医学机理的研究也需要更加精准的体外组织和器官模型,因此体外活性组织或器官的制造就成为了科研人员一直以来追求的目标。随着3D生物打印技术的发展,这一目标也在逐渐实现。例如利用双喷头挤出式打印装置,将主动脉瓣间质细胞和平滑肌细胞混在海藻酸钠/明胶中打印出主动脉瓣导管结构。此外,还有采用同轴喷头挤出装置将神经元打印成类大脑结构,并且研究结果表明,打印出的神经细胞可以伸展并长出突触。虽然生物3D打印技术在复杂器官打印方面取得了可喜的进展,但在现有的文献及技术水平上我们仅仅能实现打印器官结构的近似物或者仅仅能实现器官的单一功能,想要完全实现复杂器官的打印及打印培养后全部功能的正常使用,还需要更多研究人员的共同努力。

图七,3D打印心脏模型

图八,千乘镜像3D打印后经过培养的神经元细胞

生物3D打印技术的出现为药物开发与筛选、医学机理研究、临床治疗等方面带来了新思路、新方法,同时也促进了医学、药学、材料科学、组织工程学的进一步发展。虽然生物3D打印技术给我们带来了新的曙光,但其仍面临着许多困难,如打印对细胞的热灼烧、生物墨水的毒性、打印的速度及精度不够等,我们仍然无法较大程度上实现复杂器官的打印及打印培养后全部功能较大范围内的正常使用。因此,对于3D生物打印及其真正意义上的应用,我们还有很长的路要走!

参考文献:

[1]孙伟. 生物三维打印CSITF2013增材制造技术全球高峰论坛. 北京: 清华大学, 2013.

[2]Mannoor MS, Jiang Z, James T, et al. 3D printed bionic ears. Nano Letters, 2013, 13(6): 2634–2639.

[3]Lee W, Debasitis JC, Lee VK, et al. Multilayered culture of human skin fibroblasts  and keratinocytes through three-dimensional freeform fabrication.Biomaterials, 2009, 30(8): 1587–1595. 

[4]Zhao Y, Yao R, Ouyang L, et al. Three-dimensional printing of Hela cells for cervical tumor model in vitro. Biofabrication, 2014, 6(3):035001.

[5]Duan B, Hockaday LA, Kang KH, et al. 3D bioprinting of heterogeneous aortic valve conduits with alginate/gelatin hydrogels. Journal of biomedical materials research Part A, 2013, 101(5): 1255–1264.

[6]Lozano R, Stevens L, Thompson BC, et al. 3D printing of layered brain-like structures using peptide modified gellan gum substrates. Biomaterials, 2015, 67: 264–273. 

文案 | 李海月

排版 | 周琦

审核 | 李迪迪 刘泽鹏

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