原创 组织再生新技术——生物3D打印
2023年07月12日 【健康号】 王金武     阅读 1405

组织再生新技术——生物3D打印

01

什么是3D打印?

3D打印即快速成型技术的一种,又称增材制造,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。现已广泛应用到医疗、教学、科研等领域。


02

什么是生物3D打印?

生物3D打印技术基于增材制造思想,根据计算机三维模型精准控制活细胞、生物材料、生化因子的空间位置,可制造复杂的仿生生物组织结构,应用于再生医学、药代动力学和细胞生物学等研究方向。通常意义上而言,生物 3D 打印以活细胞为基本原材料之一,而载细胞的打印原材料则被称为生物墨水。同时生物 3D 打印常被当作组织工程的一类使能技术,其目标是构建具有生理功能的组织和器官,应用于病损组织的移植修复。该技术在生命科学领域的应用日益广泛,现已成为21世纪具备发展潜力的多种技术之一。区别于一般3D打印技术,生物3D打印技术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,通过打印技术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巨大的潜力以及广阔的发展前景。


九院3D打印中心王金武团队
自主研发第二代高通量药物筛选生物3D打印机


03

生物3D打印技术工艺

生物3D打印工艺根据成形原理和打印材料的不同,主要分为挤出式、喷墨式、光投影式三大类[1]。


挤出式生物打印(extrusion bioprinting)是通过气动、活塞驱动或螺杆驱动,实现流体材料的可控挤出,并配合三维运动平台的运动在基板上沉积出三维结构。

挤出式生物打印


喷墨式生物打印最早的生物3D 打印技术。利用压电或热力驱动喷头,将生物墨水(水凝胶和细胞的混合物)分成一系列的微滴,经过层层打印,就可以形成含有细胞的三维结构。这个过程中最重要的是如何保证微滴相互黏结融合在一起。由于商用打印机可以改造为喷墨生物3D打印机,所以喷墨打印是成本相对较低的生物打印技术[2]。另外喷墨打印机上可装多个喷头,可同时打印不同细胞,打印速度快。但由于喷头的驱动压力较小,所以无法打印高黏度的材料和高浓度的细胞,而。低黏度的材料使打印成形后的结构强度变小,无法满足后续体外培养和移植的需求,因此黏度因素使得适用的生物材料范围变窄。另外,在喷墨打印过程中,可能会对细胞产生机械损伤或者热损伤,这些缺点也限制了喷墨打印技术的广泛应用。

喷墨式生物打印


光投影式生物打印是利用光来选择性交联生物墨水,层层固化形成三维结构。紫外光通过数字微镜装置选择性地投射到生物墨水表面,被照射区域的材料开始固化,通过成形平台的上下运动,逐层固化得到三维结构[2]。


04

生物3D打印应用

  • 打印血管化组织


  • 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,3D打印全膝关节植入物采用了创新性的胫骨基板和金属背髌骨,优化的高度多孔金属结构促进了骨长入[3]。通过机械固定(植入体与骨组织紧密结合)获得植入体的初始稳定性,同时远期骨组织长入假体表面的微孔内部,可实现由机械固定向生物内锁固定的转化,从而通过骨整合获得良好固定,延长假体植入寿命。

3D打印全膝关节

  • 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,来自上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科王金武团队采用温敏性水凝胶聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)和甲基丙烯酸化明胶(GelMA,EFL-GM系列),通过牺牲模板法和热响应性水凝胶支架的收缩效应进行小尺寸微尺度血管网络(MSVs)的制备[4]。在37℃下,利用PNIPAM的温敏体积收缩,有效诱导更小尺寸的MSVs的制造。该研究成果发表于著名学术期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials),题为Fabrication of Thermoresponsive Hydrogel Scaffolds with Engineered Microscale Vasculatures。

基于温敏水凝胶的生物3D打印微尺度血管网络示意图


九院3D打印中心王金武团队

在著名期刊《先进功能材料》上发表3D生物打印研究成果

  • 打印活性细胞、蛋白及其他生物活性分子等。

    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。例如:来自中国上海交通大学医学院附属第九人民医院和北京整形外科医院的研究人员通过种植并且植入软骨首次为患者制造出了新的耳朵,从每名患儿未完全发育的耳朵中移取软骨细胞,随后等待3个月使其生长成为新的耳朵软骨组织以供移植,利用PCL(聚乙酸内酯)网格作为内基,取自软骨组织中的细胞就能在支架中播种,随后其就会被PGA(聚乙醇酸)纤维包裹,并且覆上PLA(聚乳酸)材料,所有而这些材料都具有生物可降解性[5];此外,这种支架还能被放置到利用每个儿童健康耳朵制作的3D模型中,这种模型就能促进支架上的细胞生长成为正常耳朵软骨的形状。

人耳形软骨的体外生成及评价


05

总结与展望

总之,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。


参考文献

[1] 饶玮祎,杨长明,李竞航等.生物3D打印技术及组织工程应用研究进展[J].电加工与模具,2023,No.372(01):1-8.

[2] 王锦阳,黄文华.生物3D打印的研究进展[J].分子影像学杂志,2016,39(01):44-46+62.

[3] 王富友,王浦全.3D打印技术在骨关节外科领域的应用与发展[J].陆军军医大学学报,2022,44(15):1508-1515.

[4] Li, S., Wang, W., Li, W., Xie, M., Deng, C., Sun, X., … Wang, J. (2021). Fabrication of Thermoresponsive Hydrogel Scaffolds with Engineered Microscale Vasculatures. Advanced Functional Materials, 31(27), 2102685. doi:10.1002/adfm.202102685 

[5] Zhang C, Pan B, Zhou J, Zhou X, Sun H, Li D, He A, Zhang Z, Zhang W, Liu W, Cao Y. In Vitro Regeneration of Patient-specific Ear-shaped Cartilage and Its First Clinical Application for Auricular Reconstruction. EBioMedicine. 2018 Feb;28:287-302.



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