四川大學等使用近紅外光3D打印技術在體內制造人類耳朵

南極熊導讀：在生物組織的制造中，3D打印耳朵是研究人員熱衷的一個方向，最近在這個領域又出現(xiàn)了新的進展。

2020年6月15日，南極熊從外媒獲悉，來自中國四川大學、比利時根特大學和美國加州大學圣地亞哥分校的研究人員開發(fā)了一種在人體內部3D打印人耳的方法。

這個研究團隊新開發(fā)了一種基于數(shù)字近紅外（NIR）光聚合（DNP）的3D打印技術，該技術可以實現(xiàn)組織構建體的無創(chuàng)體內3D生物打印。這種新方法可以讓醫(yī)生修復因運動損傷或意外事故而受損的人耳，為3D打印研究開辟了一條無創(chuàng)醫(yī)學的新途徑。

△基于DNP的無創(chuàng)3D生物打印示意圖

將定制的CAD模型的數(shù)據(jù)通過控制計算機送入DMD芯片。將帶有光學圖案的980nm近紅外光穿過光學透鏡及組織投射到生物墨水上，在人體內無創(chuàng)地制造體內活體組織。生物墨水中含有UCNP@LAP納米引發(fā)劑，可以將近紅外光轉化為365nm的光，然后引起單體聚合。

△研究人員創(chuàng)造了一個包含軟骨細胞的定制化耳朵形狀的構造，事實證明，在整整一個月后，它的結構是穩(wěn)定的，圖片來自Science Advances。

利用生物打印技術進行組織制造

近年來，生物打印技術已被用于為一系列醫(yī)療應用創(chuàng)造個性化結構，特別是在再生醫(yī)學方面。利用噴墨、擠出、激光直寫和光固化3D打印技術，科學家已經能夠制造出活體器官和組織。其中許多體內應用需要有創(chuàng)手術實施，或在暴露的創(chuàng)面進行原位3D打印。此外，對于皮膚下的內傷，暴露創(chuàng)面的手術可能會損傷周圍組織，造成二次傷害。

研究人員開發(fā)了一種替代DLP 的3D打印工藝，使他們能夠非隱蔽地將組織覆蓋的生物墨水制造成定制產品，包括原位的活體組織構建。以前的方法已經將DLP用于多組織重建或修復，包括脊髓、周圍神經和血管損傷。 傳統(tǒng)上，利用紫外線（UV）或藍光通過光聚合來輔助生物打印，但這些很難作為無創(chuàng)制造的工具，因為它們的組織滲透能力差。

為了具備深層組織穿透能力，研究人員開發(fā)了一種基于近紅外（NIR）光的方法，而不是使用基于紫外線或藍光的方法。傳統(tǒng)上用于患者的控釋藥物，通過精確控制近紅外誘導的高效光聚合，可以無創(chuàng)地將組織覆蓋的生物墨水制造成結構化產品。在設計數(shù)字近紅外光聚合(DNP)工藝的基礎上，研究團隊創(chuàng)建了一種無創(chuàng)的體內3D生物打印系統(tǒng)。

利用3D生物打印技術制作人耳

研究人員的方法包括創(chuàng)建一個計算機輔助設計（CAD）模型，通過連接的數(shù)字微鏡設備（DMD）芯片，動態(tài)生成數(shù)字近紅外。 然后投射紅外光，以非侵入性方式誘導局部注入的生物墨水逐層進行聚合。常用的生物相容性的水凝膠單體，如明膠甲基丙烯酰（GelMA），被證明是與這種近紅外照射過程下的聚合兼容。一旦生物材料被激活，圖像被依次送入計算機。

測試表明，DNP工藝能夠快速打印GelMA衍生的水凝膠 ，打印一層200μm厚的組織大約需要15秒。為了評估該方法的能力，使用DNP工藝制造了寬度從200到100μm遞減的三環(huán)微結構。雙層微結構具有精確的、定制的3D特征，如花狀、蛋糕狀和一種桁架結構，在體外制作，證明了該技術的能力。

△在制作3D打印耳朵之前，研究人員制作了一系列復雜的3D微結構，圖片來自Science Advances。

(A)掃描電子顯微鏡(SEM)拍攝的結構圖像，包括寬度遞減的三環(huán)微結構、花狀、丹板狀、圓餅狀和一種桁架結構，比例尺：200μm。(B)用于估計組織滲透能力的打印設置示意圖，生物墨水被沉積在皮膚或肌肉下。(C)生物墨水在表面、覆蓋在皮膚下、在0.5毫米厚的肌肉下，三種情況通過DNP工藝打印的環(huán)結構的圖像。比例尺：0.5厘米。

研究人員將一塊0.5毫米厚的豬肌肉組織覆蓋在生物墨水中，以模仿非侵入性的體內3D生物打印現(xiàn)象。利用近紅外光，研究小組能夠激發(fā)生物墨水中的納米引發(fā)劑的模式化發(fā)射，并誘導聚合。當該過程在實驗室小鼠體內進行測試時，并沒有對其周圍的組織產生影響，小鼠的組織結構完整，沒有明顯的炎癥和異常缺陷。三種類型的結構，包括三角形、十字形和兩層餅狀水凝膠構建體，通過DNP工藝成功地在體內無創(chuàng)打印，表明該工藝能夠實現(xiàn)無創(chuàng)的體內3D生物打印。

研究人員使用同樣的工藝創(chuàng)建了一個包含軟骨細胞的定制化耳形構建體。打印后，耳朵的細胞具有良好的生存能力，在體外培養(yǎng)7天，一個月后，構建體的耳朵形狀已經保持。作為非侵入性3D生物打印的概念驗證，該耳狀組織在未來的組織再生和耳廓重建中提供了廣闊的應用前景。

以前的3D生物打印方法

生物打印技術已被用于快速成型制造，以制造一系列用于植入的活體器官和組織。

俄羅斯生物技術研究實驗室3D Bioprinting Solutions已經在國際空間站（ISS）的零重力下3D生物打印骨組織。利用實驗室的磁性3D生物打印機Organ.Aut，項目希望實現(xiàn)在長期的星際探險中為宇航員移植創(chuàng)造骨植入物。

來自賓夕法尼亞州卡內基梅隆大學（CMU）的科學家使用一種新型的3D生物打印方法來構建人類心臟的功能部件，2019年8月。利用自由形態(tài)可逆嵌入懸浮水凝膠（FRESH）技術，該團隊能夠3D打印小血管、瓣膜和跳動心室的膠原蛋白。

3D生物打印技術公司Aspect Biosystems于2019年1月宣布與荷蘭馬斯特里赫特大學（UM）合作。該項目的重點是開發(fā)可行的腎臟組織用于醫(yī)學測試。

研究人員的研究結果詳見他們發(fā)表在《Science Advances》雜志上的論文  “Noninvasive in vivo 3D bioprinting”。該研究由Yuwen Chen, Jiumeng Zhang, Xuan Liu, Shuai Wang, Jie Tao, Yulan Huang, Wenbi Wu, Yang Li, Kai Zhou, Xiawei Wei, Shaochen Chen, Xiang Li, Xuewen Xu, Ludwig Cardon, Zhiyong Qian and Maling Gou. 共同撰寫。


編譯自：3dprintingindustry