中國學(xué)者革新 3D 生物打印，支架孔徑達到細胞水平！超精準“雕琢”生物材料

來源： DeepTech深科技

自 2003 年美國克萊姆森大學(xué)團隊首次實現(xiàn)了活細胞打印，將 3D 生物打印研究推到前臺，科學(xué)家已經(jīng)對該技術(shù)的應(yīng)用前景進行了大膽展望，其中最具野心的預(yù)測，就是未來人體器官可以像汽車零配件一樣，磨損了可修復(fù)，損壞了可替換。

3D 生物打印，正是提供這些人體“配件”的加工方式。它借助 3D 生物打印機，制造出細胞支架，再將細胞種入支架中，使細胞得以生長，并根據(jù)需要長成組織或器官。但現(xiàn)實往往很“骨感”。在實際操作中，現(xiàn)有的生物墨水通常難以快速打印出孔隙大小合適的細胞支架，這直接關(guān)系到附著其上的細胞，能否長成適合人體的“配件”。

如今，一位中國學(xué)者領(lǐng)導(dǎo)的團隊從材料角度出發(fā)，提出了全新的生物打印方式，結(jié)合材料的相變特性，制備出高度聯(lián)通且具有細胞大小孔徑的多孔水凝膠，突破了這一難題。該成果論文目前已被英國皇家化學(xué)學(xué)會接收，將在 Materials Horizons 雜志上發(fā)表。

論文共同通訊作者為加拿大麥吉爾大學(xué)李劍宇教授和 Luc Mongeau 教授，第一作者為麥吉爾大學(xué)機械工程專業(yè)博士生鮑光宇。其中，李劍宇曾在 2019 年入選《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”中國區(qū)榜單。他 詳細解讀了這項最新成果，以及他另一項可能應(yīng)用更廣闊的研究——最聰明的生物材料。

給細胞打印宜居的“家”
一直以來，3D 生物打印的一大難點，在于如何為細胞提供合適的生存環(huán)境、三維物理支撐。
具體來說，制備生物支架對其中的孔隙大小要求非常高。一般的細胞直徑約為 10 微米，如果支架的孔徑是上百微米，那細胞在支架上面，就和在平面上一樣，無法貼合生長。

另一方面，組織工程一般會采用水凝膠材料作為生物墨水，而水凝膠的孔隙又特別小。材料中的高分子鏈糾纏在一起，會形成非常多的孔隙，就像海綿一樣，只不過水凝膠的孔隙尺寸一般在 10~100 納米之間。

如果把細胞放到水凝膠材料當中，直徑 10 微米左右的細胞，就會把支架填充成一個非常致密的材料。在這種擁擠的情況下，細胞的生長很多時候都會被束縛，更談不上實現(xiàn)細胞功能。

“所以我們希望給細胞構(gòu)建出一個三維的立體空間，且孔隙的量級和細胞的尺寸相當，即為 10 微米的量級�！崩顒τ钫f。他們從材料本身的基礎(chǔ)性質(zhì)的角度提出，利用材料的相變實現(xiàn)材料的孔隙。
根據(jù)論文介紹，李劍宇團隊提出了提出了名為響應(yīng)微孔成型生物打印方法（Triggered Micropore-Forming bioprinting，簡稱 TMF），利用水凝膠刺激響應(yīng)的微分相行為實現(xiàn)此類生物支架的快速制造。為此他們制備出一種由負載細胞的殼聚糖（chitosan）和聚乙二醇（PEG）微酸性水溶液組成的生物墨水。

其特點在于，在很小的范圍內(nèi)對材料的 pH 值進行調(diào)整，材料會自行分相，形成 10 微米級別的孔隙，從而形成了具有細胞支撐的結(jié)構(gòu)。同時在 pH 值調(diào)整范圍內(nèi)，均不會對細胞的生長產(chǎn)生影響。

圖 | 使用TMF方法打印生物支架流程

相比之下，傳統(tǒng)制備的水凝膠材料的孔隙特別小，僅有 10-100 納米，這會阻礙細胞的生長，更不要說實現(xiàn)細胞的功能。李劍宇表示，這個研究的新意在于，團隊利用材料的基本性質(zhì)，制成了特殊的生物墨水，將其結(jié)合到 3D 打印里，就能解決傳統(tǒng) 3D 打印方法難以解決的問題。


另一方面，這種制備方式能在較短時間內(nèi)打出大塊的纖維材料，同時保證材料內(nèi)部具有細胞支撐的結(jié)構(gòu)，大大提升了制備效率。

實驗表明，該生物墨水在經(jīng)過 3D 打印后，形成了細胞大小的孔隙，且孔隙間高度聯(lián)通。該生物墨水系統(tǒng)具有良好的細胞兼容性，且在支架中保持較高的細胞存活率。

李劍宇表示，除了實現(xiàn)材料的孔隙，他們還能夠在不影響材料硬度、孔隙率等特性的同時，對材料的機械性質(zhì)進行靈活調(diào)控，比如細胞的粘彈性。

據(jù)介紹，材料的粘彈性在生物材料的實際應(yīng)用中有著重要的作用。粘彈性即聚合物在不同條件下表現(xiàn)出固體和液體的性質(zhì)，像固體一樣有相對固定的形態(tài)，但質(zhì)地如液體般柔軟。相比傳統(tǒng) 3D 打印生產(chǎn)出來的純彈性體系，粘彈性的體系更加利于細胞的生長和遷移。

哈佛大學(xué)生物工程教授 David J. Mooney，是李劍宇在博后階段的導(dǎo)師。Mooney 此前的研究表明，通過調(diào)控材料的粘彈性，就能對細胞的功能和行為進行很好的控制。包括控制干細胞的分化和控制細胞的增殖。

最后，為了證明該打印墨水在生物工程上的應(yīng)用效果，李劍宇團隊利用其打印了由人聲帶成纖維細胞和人氣管上皮細胞組成的復(fù)合聲帶結(jié)構(gòu)，結(jié)果證明相比于傳統(tǒng)材料，具有多孔結(jié)構(gòu)的新材料能夠大幅提高支架內(nèi)成纖維細胞的生長和擴散。水凝膠構(gòu)建體的結(jié)構(gòu)完整性也得以保持。

打造最聰明的生物材料
這項生物打印領(lǐng)域的新研究，其實只是李劍宇團隊的一個跨界研究成果。

長期以來，他的主要研究方向是軟性生物材料。他希望未來的生物醫(yī)學(xué)材料，不但能夠取代手術(shù)縫合線來修復(fù)傷口，而且能像修復(fù)牙齒一樣，安全高效地修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨和椎間盤等各類軟組織。要實現(xiàn)這一目標，未來勢必要使用到生物打印技術(shù)。

現(xiàn)階段，硬質(zhì)生物材料已經(jīng)在醫(yī)療領(lǐng)域被廣泛使用，比如用鈦合金和陶瓷材料修改牙齒和骨骼的技術(shù)已經(jīng)非常成熟；但在軟組織醫(yī)學(xué)方面，現(xiàn)有的生物材料還遠遠無法滿足臨床應(yīng)用的需要，比如用于創(chuàng)傷止血、傷口愈合、關(guān)節(jié)軟骨和椎間盤修復(fù)等等。

其中的關(guān)鍵原因在于，以往的軟質(zhì)生物材料的機械性能遠低于生物組織，比如難以形成有效可靠的組織粘附。

隨著全球人口老齡化的加劇及各種醫(yī)療挑戰(zhàn)的出現(xiàn)，讓生物材料的重要性日益凸顯。

李劍宇及其團隊采用包括材料、力學(xué)、化學(xué)、仿生和生物工程在內(nèi)的多學(xué)科交叉的方法，開發(fā)了多種新型生物材料，例如，用高強度生物膠水替代手術(shù)縫合線閉合傷口，將高性能仿生植入材料用于關(guān)節(jié)軟骨和椎間盤修復(fù)，以及可以控制大出血的新型止血材料。

這些新材料的性能遠超既有的材料，它們的組織粘附性能可以提升 100 倍以上，同時具有出色的⽣物相容性，還能實現(xiàn)藥物控釋、細胞遞送等功能。

在傷口修復(fù)方面，目前使用的基本都是“惰性”材料，為傷口提供基本的保護，但沒法促進傷口愈合。而李劍宇團隊開發(fā)的新型生物材料是一種具有生物力學(xué)活性的物質(zhì)，讓材料更加聰明（Smart），它不僅能夠保護傷口，同時還能對組織施加一定的外力，來促進傷口的愈合。

將生物材料用于軟骨和椎間盤修復(fù)，是李劍宇課題組的另一大研究方向。

對于關(guān)節(jié)和椎間盤軟組織損傷，目前的治療方案通常會采用金屬、塑料等硬質(zhì)材料植入體內(nèi)，用以修復(fù)或代替受損軟組織。

人在衰老過程中，關(guān)節(jié)、椎間盤等軟組織易出現(xiàn)問題。目前的治療方案通常會采用金屬、塑料等硬質(zhì)材料植入體內(nèi)，用以修復(fù)或代替受損軟組織。

但問題在于，這些硬質(zhì)材料的生物力學(xué)性質(zhì)和含水量與人類軟組織相去甚遠，長期使用會有較大的生物相容性問題，甚至?xí)�造成臨近軟組織的病變。這正是目前軟組織醫(yī)學(xué)所遇到的困境之一。

李劍宇研制的新型生物材料，正在突破這一問題。這些新材料“像果凍一樣”，其含水量和人體組織相當，同時在機械性質(zhì)上也能做到和人體組織差不多，甚至優(yōu)于人本身的組織。

有了聰明的生物材料，李劍宇還有更大的野心，他想讓生物打印機參與到臨床的手術(shù)操作中。

當下，借助生物打印生產(chǎn)生物材料，然后將其植入人體內(nèi)，用以修復(fù)或取代受損組織，已經(jīng)有了一些應(yīng)用。李劍宇覺得這遠遠不夠，他希望，未來進行組織修復(fù)治療時，能夠直接使用一臺像機械臂一樣的生物打印機，直接在椎間盤或是軟骨上進行修復(fù)。

由于多數(shù)創(chuàng)口都是不規(guī)則的，所以機械臂需要在上面根據(jù)具體的情況實時進行 3D 打印，填充非均質(zhì)的生物材料。

這里就涉及生物打印的另一大優(yōu)勢。以往科學(xué)家只能通過化學(xué)合成的方式來制備生物材料，得到的材料往往是一個均一的體系；但生物打印能夠?qū)崿F(xiàn)非均質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)材料在每個方向、位置的粘彈性可能都不一樣。

李劍宇表示，這已經(jīng)是大勢所趨，目前這個機械臂生物打印機也已經(jīng)被他納入到研究項目當中。

尋找科研的“現(xiàn)實”意義
李劍宇在浙江大學(xué)讀本科時，專業(yè)是材料與工程。后來到哈佛大學(xué)攻讀博士，研究方向更加側(cè)重材料力學(xué)。再到博士后階段，李劍宇的研究方向則進入到了生物材料和生物工程領(lǐng)域。

圖 | 李劍宇

其個人的獨特求學(xué)過程，讓他擁有一個跨學(xué)科交叉的背景。而在研究工作中，這一背景也讓他能以一種非傳統(tǒng)的角度和方法開發(fā)新材料，比如從仿生的理念出發(fā)，研究生物組織本身的性質(zhì)，再結(jié)合多學(xué)科交叉的方式打造新的材料，重塑生物組織本身的性質(zhì)，滿足實際生物醫(yī)療需求。

在李劍宇看來，從開始博士生涯到如今的 10 年時間，他的研究工作從最早的基礎(chǔ)研究，到如今正一步一步接近最終的實際應(yīng)用。

10 年前，李劍宇自己都認為其所聚焦的研究，僅僅是一項傳統(tǒng)的科研工作，而隨著后來的論文產(chǎn)出、成功申請專利等進展，讓李劍宇逐漸看到了將這項技術(shù)直接用于患者治療的巨大潛力。

在博士后期間，李劍宇開始和更多的醫(yī)生、醫(yī)院展開合作，那也是他接觸現(xiàn)實問題的開端。

李劍宇介紹，當時有一個病例，因為患者血液中糖分過高，導(dǎo)致四肢修復(fù)能力較差，創(chuàng)口難以愈合。當時他們在生物材料的相關(guān)研究，剛好可以為患者治療提供新的思路。這些實際的臨床病例，讓李劍宇清晰認識到，科研工作也可以在實際醫(yī)療中表現(xiàn)出真實的意義。

目前，李劍宇團隊專注于這些新型生物材料的優(yōu)化和臨床前測試，下一個里程碑目標是將該材料技術(shù)推向臨床轉(zhuǎn)化和商業(yè)應(yīng)用。他表示，對于一個前沿的科研領(lǐng)域來說，找到合適的應(yīng)用場景，將研究成果、技術(shù)轉(zhuǎn)化成最終的應(yīng)用，對整個學(xué)科的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。