一文看懂生物3D打印技術如何構(gòu)建強度高、生物相容性好的組織支架

來源：上普生物

導讀：生物3D打印領域不斷發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于單純基于水凝膠類材料的組織構(gòu)建。高溫熔融生物打印技術的出現(xiàn)讓我們對高強度、生物相容性好的組織器官打印提供了更多的可能性。本文帶您深入淺出的看懂這種技術和未來的發(fā)展空間。

生物3D打印的進展
生物3D打印技術以細胞、蛋白質(zhì)、生物材料等作為構(gòu)造單元，構(gòu)建生物學模型、生命系統(tǒng)和治療產(chǎn)品。由于其可量身定制性，結(jié)構(gòu)和孔隙可控性以及可復合多種材料等特性受到了研究人員的廣泛關注，是目前最具潛力實現(xiàn)人體組織及器官打印的技術。

2019年，生物3D打印技術全方位爆發(fā)，如美國萊斯大學發(fā)表了生物3D打印的第一篇Science，利用高精度的光刻技術提供了復雜的血管化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，該方法使得復雜組織器官的構(gòu)建成為可能。卡耐基梅隆大學去年同樣在Science發(fā)表文章，利用懸浮膠作為打印支撐體，高精度的打印了心臟瓣膜及心臟等復雜結(jié)構(gòu)，打印的心室具有同步收縮。
當前技術的局限性
雖然行業(yè)發(fā)展迅速，但當前的技術還有諸多的局限性：

首先，人體的骨骼、關節(jié)、肌肉等對生物力學有較高要求的組織，單純使用水凝膠材料顯然不能滿足科研人員的需求。
其次，高分子材料可以使用FDM技術（Fused Deposition Modeling，熔融沉積）這一常見的3D打印技術構(gòu)建。然而，F(xiàn)DM打印工藝在生物醫(yī)學的應用上有如下幾個問題：

• 難以保證潔凈度
• 工藝常用的的線型材料往往不是醫(yī)用級，無法進行可植入性實驗
• 無法添加輔助材料，以調(diào)節(jié)支架性能
• 基于FDM工藝的3D打印機無法實現(xiàn)高分子材料與水凝膠類材料復合打印。
  

高溫熔融復合打印技術
今天帶領大家了解一下高溫熔融復合打印技術，該技術是基于傳統(tǒng)FDM技術衍生出的可以應用于生物3D打印的工藝技術。高溫熔融復合打印技術將顆粒狀或其他形態(tài)的醫(yī)用級生物高分子材料進行高溫熔融，噴頭按照設計軌跡運動，同時將熔化的材料擠出并迅速冷卻成型，通過材料逐層推擠形成最終的成品。這樣的技術使得打印材料可以不局限于一種，而是可以混合多種材料，以調(diào)節(jié)支架的力學性能，并且利用多材料生物打印技術，可以實現(xiàn)高分子材料與水凝膠類材料復合打印

目前在高溫熔融復合打印技術中常用的生物高分子材料包括聚己內(nèi)酯（PCL）、聚乳酸（PLA）、聚乳酸-羥基乙酸（PLGA）等，其中PCL具有低熔點、可降解、生物相通性好等特點，同時也已獲得FDA批準，是生物3D打印支架的理想材料。

應用案例
高溫熔融復合打印技術讓更多樣的組織器官構(gòu)建成為了可能，下面我們來分享其中幾篇典型案例：

外耳組織
美國維克森林大學醫(yī)學院Anthony Atala研究團隊在Nature Biotechnology發(fā)表文章，利用多噴頭生物3D打印系統(tǒng)，分別將含細胞水凝膠、PCL、Pluronic F-127（犧牲材料）加載至包含高溫噴頭的不同打印噴頭，通過模型處理軟件設計各噴頭打印路徑，支架打印完成后在低溫條件下去除支架中的Pluronic F-127，最終形成的支架在滿足力學強度的同時也能提供細胞所需的養(yǎng)分、氧氣輸送的微通道。研究人員將該支架皮下植入小鼠體內(nèi)，2個月后支架依舊保持原有結(jié)構(gòu)，且已經(jīng)形成軟骨組織和血管系統(tǒng)，這一結(jié)果表明，該打印方案通過結(jié)合生物學原理融入微通道，能夠為細胞提供各必需營養(yǎng)物質(zhì)，支持細胞和組織的生長和功能。

Kang, H.-W., Lee, et al. “A 3D bioprinting systemto produce human-scale tissue constructs with structural integrity.” Nature Biotechnology 34(3)(2016):312–319.

肌肉組織
不僅是耳朵，Anthony Atala團隊同時用肌纖維母細胞、PCL以及F127材料組合，利用高溫打印和水凝膠打印的多噴頭生物打印技術，構(gòu)建出肌肉組織。通過體外實驗及內(nèi)皮細胞標記物的表達和肌電圖，結(jié)果表明細胞在打印后第三天開始沿著PCL縱軸進行伸展，并具有較高的活性，7天后觀察到排列整齊的肌管纖維結(jié)構(gòu)。體內(nèi)植入結(jié)果顯示，整個支架的血管化和肌肉結(jié)構(gòu)對電刺激的反應在某種程度上與發(fā)育中的肌肉相一致，證明構(gòu)建的組織、器官都能夠在2周內(nèi)生成血管、神經(jīng)系統(tǒng)，且其自身形狀不發(fā)生改變。

Kang,H.-W., Lee, et al. “A 3D bioprinting system to produce human-scale tissueconstructs with structural integrity.” Nature Biotechnology 34(3) (2016):312–319.

骨修復支架
在骨修復支架研究方向，部分學者將PCL與無材料結(jié)合打印復合支架，常見添加材料包括HA、TCP、生物玻璃、金屬離子等，研究結(jié)果證明這些材料的加入能有效促進骨再生。韓國成均館大學的GeunHyung Kim團隊通過將PCL與生物玻璃BGS-7結(jié)合，通過高溫熔融打印技術構(gòu)建骨修復支架。力學測試結(jié)果證明支架的韌性明顯強于單純生物玻璃支架，且復合支架的親水性、蛋白吸收等作用增強，細胞增殖和成骨活性顯著增加。

Kim,Y., Young Lim, et al. “3D-printedPCL/bioglass (BGS-7) composite scaffolds with high toughness and cell-responsesfor bone tissue regeneration.”Journal of Industrial and Engineering Chemistry 79（2019）：163-171.

上海交通大學醫(yī)學院的鄧廉夫教授團隊于Biomaterials發(fā)表文章，通過高溫熔融打印技術構(gòu)建了負載去鐵胺（DFO）的PCL骨修復支架。體內(nèi)外研究表明構(gòu)建的生物3D打印支架具有優(yōu)異的血管化和成骨活性，能夠快速的促進大鼠股骨遠端巨大骨缺損的修復。同時，該研究設計通過靶向調(diào)控HIF-1α信號通路，實現(xiàn)了3D打印支架能夠模擬并促進生理狀態(tài)下骨修復重建過程中血管化的關鍵步驟，為功能化3D打印支架的構(gòu)建提供了新的思路和轉(zhuǎn)化前景。

Yan, Y., Chen, H., et al. “Vascularized 3D printedscaffolds for promoting boneregeneration.”Biomaterials（2019）：97-110.

心臟瓣膜
患有主動脈心臟瓣膜疾病的患者只能進行瓣膜替換手術，目前這種手術缺乏生長和重建的能力，對于兒童患者，他們需要一個能夠生長并且尺寸更小的瓣膜。美國佐治亞理工大學的Michael E. Davis團隊發(fā)表文章于Biomaterials,利用生物3D打印技術設計一種仿生心臟瓣膜支架，首先利用高溫生物打印技術沿圓周方向打印PCL，用于模擬瓣膜纖維層，之后制備含有細胞、GelMA、PEGDA的水凝膠支架，將兩者復合。在靜態(tài)條件下，多層支架可以增加I型膠原的產(chǎn)生；將該支架安裝在瓣膜環(huán)上，在主動脈瓣生理狀態(tài)下，支架可生成具有結(jié)構(gòu)代表性的瓣葉，且瓣葉的PCL層可以維持正常的瓣膜功能。

Nachlas, A. L. Y., et al. “A multilayered valveleaflet promotes cell-laden collagen type I production and aortic valvehemodynamics. ”Biomaterials（2019）：119838.

上普高溫噴頭系統(tǒng)

上普生物
上普成立于2014年，是一家世界領先的高科技公司，專門從事3D生物打印和制造先進生物打印產(chǎn)品。基于20多年的研發(fā)及經(jīng)驗及公司專利技術，SunP致力于研發(fā)創(chuàng)新的3D生物打印系統(tǒng)，新型生物墨水和先進的3D細胞模型并應用于個性化組織工程和癌癥治療，醫(yī)療器械，藥物測試和新藥研發(fā)。如果您對產(chǎn)品感興趣，請聯(lián)系（王女士，18511003831）或是發(fā)郵件給（info-china@sunpbiotech.cn），期待與您合作。