人體組織3D生物打印技術(shù)六項(xiàng)研究進(jìn)展

來源：美國機(jī)械工程師學(xué)會（ASME）

近年來，3D生物打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)打印可移植器官目標(biāo)方面取得了長足的進(jìn)步。盡管目前仍然遙遙無期，但我們?nèi)栽诶^續(xù)研究和完善該治療方法，這些研究進(jìn)展可以為脊髓損傷、阿爾茨海默病、帕金森氏癥、腦癌等疾病帶來創(chuàng)新性改善療法。

活細(xì)胞3D打印技術(shù)遵循標(biāo)準(zhǔn)3D打印方法的同時，又進(jìn)行了一點(diǎn)改變。根據(jù)給定的CAD文件，打印機(jī)逐層放置材料構(gòu)建形狀。生物打印機(jī)使用生物墨水而不是金屬或塑料作為材料。生物墨水中含有活細(xì)胞，它們存在于海藻酸鹽或明膠等粘性物質(zhì)之中。細(xì)胞通常建立在支架上，用來支撐和保護(hù)細(xì)胞。

目前有許多最新研究進(jìn)展推動了3D生物打印領(lǐng)域的發(fā)展。以下是其中六項(xiàng)主要研究進(jìn)展。

1.  打印帶有血管的活體皮膚
倫斯勒理工學(xué)院和耶魯大學(xué)的研究人員使用從人體皮膚細(xì)胞中提取的液體生物墨水打印了人造皮膚，然后在皮膚內(nèi)自然生成血管系統(tǒng)。

倫斯勒理工學(xué)院和耶魯大學(xué)的研究人員使用從人體皮膚細(xì)胞中提取的液體生物墨水打印了人造皮膚。圖片提供：倫斯勒理工學(xué)院

這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人倫斯勒爾理工學(xué)院化學(xué)及生物工程學(xué)教授Pankaj Karande說，有了正常的血管系統(tǒng)來循環(huán)血液，患者可以更快地吸收移植組織。他表示，雖然生物工程師已經(jīng)成功地打印了活體組織，但其中很少有項(xiàng)目涉及血管。

“脈管系統(tǒng)非常重要，因?yàn)檫@是宿主和移植器官相互交流的方式�！盞arande說，“如果皮膚替代物不被人體排斥，則宿主與移植器官之間的溝通至關(guān)重要。”

目前，需要植皮的患者有兩種選擇：一種是自體植皮，即醫(yī)生刮去一塊健康皮膚覆蓋受損區(qū)域；另一種是用牛膠原蛋白、聚合物泡沫等制成的人造皮膚產(chǎn)品。兩種方式各有缺點(diǎn)。自體植皮會造成疼痛并產(chǎn)生新傷口。Karande補(bǔ)充說，人造皮膚產(chǎn)品有一系列局限性，它們通常只是暫時性的，不能覆蓋深部傷口，或者與人體皮膚不相像。

Karande表示，目前其團(tuán)隊(duì)的治療方法仍處于基礎(chǔ)研究階段。

2. 培養(yǎng)可發(fā)育為組織的細(xì)胞
休斯頓萊斯大學(xué)的研究人員在他們用來搭建支架的塑料絲束上刻出凹槽。然后，他們在凹槽中植入可促進(jìn)新組織生長的細(xì)胞或其他生物活性劑。

萊斯大學(xué)研究人員發(fā)明的這種生物相容性植入體會隨著時間的推移而降解，最后只留下自然組織。圖片提供：萊斯大學(xué)

這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人萊斯大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師Antonios Mikos說，與許多實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)的細(xì)胞支撐水凝膠支架不同，這一過程產(chǎn)生的硬植入體可以通過手術(shù)移植來愈合骨骼、軟骨或肌肉。這種生物相容性植入體會隨著時間的推移而降解，最后只留下自然組織。

他表示，在通常情況下，3D打印的支架會均勻地植入細(xì)胞。“要想在支架的不同位置植入不同的細(xì)胞群，以前無法做到這一點(diǎn)，但是現(xiàn)在可以了。”他說。

Mikos稱：“這種技術(shù)主要的創(chuàng)新點(diǎn)是能夠在空間上裝載擁有不同類型細(xì)胞群和不同生物活性分子的3D打印支架�！�

3. 人體心臟部分的生物打印
據(jù)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)發(fā)明這項(xiàng)技術(shù)的研究人員說，這種首創(chuàng)的方法使組織工程領(lǐng)域向3D打印全尺寸成人心臟又邁進(jìn)了一步。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的科學(xué)家們利用3D生物打印技術(shù)構(gòu)造了人體心臟的功能性部件，比如圖中的心臟瓣膜。圖片提供：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)

這種技術(shù)被稱為“懸浮水凝膠自由形式可逆嵌入技術(shù)”（FRESH），它克服了現(xiàn)有的3D生物打印療法帶來的挑戰(zhàn)。生物醫(yī)學(xué)工程教授Adam Feinberg所在的“再生生物材料和療法團(tuán)隊(duì)”曾負(fù)責(zé)過這項(xiàng)工作，他表示，使用柔軟的活體材料，能達(dá)到前所未有的分辨率和逼真度。

人體的每個器官，例如心臟，都是由稱為細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的生物支架聚集在一起的特化細(xì)胞所構(gòu)建的。這種細(xì)胞外基質(zhì)蛋白構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)為細(xì)胞提供了正常功能所需的結(jié)構(gòu)和生物化學(xué)信號。

Feinberg稱，到目前為止，傳統(tǒng)的生物構(gòu)建方法無法重造復(fù)雜的細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)�！把芯勘砻�，使用細(xì)胞和膠原蛋白，可以打印出真正的功能性部分，比如心臟瓣膜或正在搏動的較小心室。”他說，“通過應(yīng)用人體心臟的核磁共振（MRI）數(shù)據(jù)，能夠精確地重造專門針對患者的解剖結(jié)構(gòu)，并對膠原蛋白和人體心臟細(xì)胞進(jìn)行3D生物打印。”

Feinberg實(shí)驗(yàn)室的博士生Andrew Hudson表示，由于膠原蛋白初始形態(tài)是流體，因此對它進(jìn)行3D打印很困難。

“如果嘗試在空中打印它，它只會在你的構(gòu)建平臺上形成水坑�！盚udson說，“我們目前已經(jīng)開發(fā)出一種防止它變形的技術(shù)�！�

“懸浮水凝膠自由形式可逆嵌入技術(shù)”可讓膠原蛋白在凝膠支撐槽中逐層沉積，使膠原蛋白就地凝固，不會被移出支撐槽。打印完成后，將凝膠從室溫加熱到人體溫度，使支撐凝膠融化，研究人員就可以在不破壞由膠原蛋白或細(xì)胞組成的打印結(jié)構(gòu)的情況下，將支撐凝膠移除。

4. 3D打印生物材料皮膚修復(fù)傷口
另一項(xiàng)最新研究進(jìn)展是手持式3D打印機(jī)，它可以將生物材料皮膚涂敷在大面積燒傷傷口上。這種生物材料也能加速愈合過程。

手持式3D打印機(jī)將生物材料制成的傷口愈合帶覆蓋在燒傷傷口上。圖片提供：多倫多大學(xué)

該設(shè)備由多倫多大學(xué)和多倫多日溪醫(yī)院的研究人員研制，它可以將生物墨水以帶狀逐條地涂敷在燒傷傷口上。這種生物材料由生物墨水制成，其本身是由間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）組成，這些干細(xì)胞根據(jù)環(huán)境的不同而分化為特殊的細(xì)胞類型。

生物醫(yī)學(xué)博士研究生Richard Cheng說，在這種情況下，間充質(zhì)干細(xì)胞材料可促進(jìn)皮膚再生并減少疤痕。RichardCheng是該學(xué)校機(jī)械工程副教授Axel Guenther所主導(dǎo)的項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。

“我們之前已證實(shí)可以將細(xì)胞涂敷在燒傷傷口上，但是沒有任何證據(jù)表明它對傷口愈合有任何好處；現(xiàn)在我們已經(jīng)證明了這一點(diǎn)，”Guenther說。

當(dāng)該研究團(tuán)隊(duì)于2018年推出其第一臺皮膚打印機(jī)原型時，人們認(rèn)為它是同類設(shè)備中第一款能就地形成組織，并在兩分鐘或更短時間內(nèi)涂敷并讓組織固定到位的設(shè)備。


5. 創(chuàng)造人體組織的可打印生物墨水
得克薩斯A&M大學(xué)機(jī)械工程學(xué)副教授Akhilesh Gaharwar說，針對患者的3D打印骨移植可以為患有關(guān)節(jié)炎、骨折、口腔感染和顱面缺陷的患者提供創(chuàng)新型療法。目前他的研究團(tuán)隊(duì)正在負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究。

他表示，他們研制的生物墨水能同時滿足3D打印和組織工程的需求，很好地解決了生物墨水稀缺的問題。

得克薩斯A&M大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研制的納米工程離子-共價糾纏(NICE)生物墨水配方專門用于打印3D骨骼。圖片提供：得克薩斯A&M大學(xué)

“理想的生物墨水必須在經(jīng)過擠壓后能形成穩(wěn)定的3D結(jié)構(gòu)，同時能在打印過程中和打印后保護(hù)細(xì)胞，并為重塑目標(biāo)組織提供適當(dāng)?shù)沫h(huán)境�！盙aharwar說，“但遺憾的是，傳統(tǒng)的水凝膠很不牢固，打印效果較差�！�

該團(tuán)隊(duì)研制的納米工程離子-共價糾纏(NICE)生物墨水配方專門用于打印3D骨骼。納米工程離子-共價糾纏生物墨水是兩種強(qiáng)化技術(shù)的結(jié)合。這兩種技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，能將打印效果進(jìn)行有效強(qiáng)化，使骨骼結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固。Gaharwar表示，這種生物墨水可以精確地控制物理性能和降解特性，可對3D結(jié)構(gòu)的物理彈性和纖維化結(jié)構(gòu)進(jìn)行自定義。

一旦生物打印過程完成，充滿細(xì)胞的納米工程離子-共價糾纏網(wǎng)絡(luò)就會交聯(lián)，形成更牢固的支架。通過這項(xiàng)技術(shù)，研究人員已經(jīng)能夠?qū)θ梭w部位進(jìn)行細(xì)胞友好型全方位重造，包括耳朵、血管、軟骨和骨段。


6. 脊髓生物打印切片
加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究團(tuán)隊(duì)取得了3D打印人體器官替代品方面的進(jìn)步。

雖然大多數(shù)3D生物打印技術(shù)都是在培養(yǎng)皿中完成的，但該校研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)卻能夠在實(shí)驗(yàn)鼠身上完成。

該校的科學(xué)家們打印出由軟凝膠制成的小型植入體，然后用神經(jīng)干細(xì)胞填充它們。圖片提供：加州大學(xué)圣地亞哥分校

科學(xué)家們首先打印出由軟凝膠制成的小型植入體，再用神經(jīng)干細(xì)胞填充它們。然后通過手術(shù)將這些植入體放入老鼠脊髓的小縫隙里。該校納米工程教授、團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Shaochen Chen說，這種精確的3D打印技術(shù)讓軟凝膠和細(xì)胞基質(zhì)能夠精確地嵌入縫隙或傷口中。

隨著時間的推移，新的神經(jīng)細(xì)胞和軸突在動物脊髓切面處生長并形成新的連接。這些神經(jīng)細(xì)胞不僅彼此相連，而且與作為宿主的實(shí)驗(yàn)鼠的脊髓組織以及循環(huán)系統(tǒng)相連。該校神經(jīng)科學(xué)教授Mark Tuszinski稱，實(shí)驗(yàn)室培育的細(xì)胞隨后成功地彌合了脊髓的縫隙，并部分恢復(fù)了動物后肢的運(yùn)動功能。

研究人員表示，生物打印組織可以用來測試藥物的治療效果，并最終實(shí)現(xiàn)3D生物打印技術(shù)目標(biāo)：打印出可以培養(yǎng)的完整器官，然后移植到患者體內(nèi)。
Jean Thilmany是來自明尼蘇達(dá)州圣保羅市的獨(dú)立作家。