Nature子刊：生物3D打印向臨床轉(zhuǎn)化的機遇與挑戰(zhàn)

來源：EngineeringForLife

目前，3D打印的手術(shù)導(dǎo)板、骨植入物、頜面部植入物和一些無生物活性的醫(yī)療器械在醫(yī)院屢見不鮮，但是3D打印的活細胞支架應(yīng)用到臨床依然面臨巨大的挑戰(zhàn)。近期，維克森林醫(yī)學院的Anthony Atalat教授在Nature Biomedical Engineering上發(fā)表了題為“Opportunities and challenges of translational 3D bioprinting”的Perspective論文，系統(tǒng)地分析了生物3D打印技術(shù)向臨床轉(zhuǎn)化所面臨的機遇和挑戰(zhàn)。
首先，介紹了生物打印技術(shù)在軟骨、骨、和皮膚應(yīng)用上的臨床進展：

• 軟骨
  

目前打印的軟骨組織在植入體內(nèi)后具有組織學和力學性能（圖1a）。未來為了更好地實現(xiàn)軟骨組織的生理功能，需要重點突破生長因子、機械性能和干細胞的梯度打印。

• 骨
  

目前主要利用生物打印技術(shù)誘導(dǎo)骨愈合（圖1b），而大段缺損還需要結(jié)合非打印的傳統(tǒng)產(chǎn)品來修復(fù)。此外，生物打印也很難制造兼顧形態(tài)和功能的骨組織。

• 皮膚
  

目前主要利用原位生物打印技術(shù)，對細胞和材料進行精確的控制，實現(xiàn)原位皮膚修復(fù)（圖1c、d），但是現(xiàn)有的技術(shù)仍不能完全模擬皮膚的形態(tài)、理化和生理特性，包括促進、調(diào)節(jié)毛囊的正常發(fā)育，色素沉著，表皮的形成和成熟。

圖1 生物打印的軟骨、骨和皮膚組織

接著，指出了轉(zhuǎn)化過程中的幾個挑戰(zhàn)，包括：構(gòu)建組織器官內(nèi)部的血管網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)生物相容性優(yōu)越的生物墨水，以及獲得生理相關(guān)的細胞數(shù)量（表1）。

表1 生物打印的特定需求及潛在解決方案

圖2 目前解決打印組織血管化的幾種方案

最后，概述了生物打印在監(jiān)管機制、材料采購、制造、標準化和物流等方面的挑戰(zhàn)（表2）。

表2 生物打印技術(shù)轉(zhuǎn)化的挑戰(zhàn)及發(fā)展方向

總之，生物打印的組織或器官向臨床產(chǎn)品轉(zhuǎn)化，需要達到功能和支持細胞類型(包括干細胞)的閾值，需要具有與天然器官在微觀和宏觀尺度上相似的生物學特性，并具有包含動脈、靜脈和毛細血管的完整血管網(wǎng)絡(luò)。雖然生物打印的部分軟骨、骨和皮膚已符合標準，但在更復(fù)雜組織打印及應(yīng)用上仍面臨著重大挑戰(zhàn)。要實現(xiàn)多尺度、多組分組織/器官的生物打印的應(yīng)用突破，未來需要在分離和擴大原代和干細胞群體、開發(fā)“智能”生物材料以及整合互補的生物打印技術(shù)方面做進一步深化研究。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41551-019-0471-7