中國學(xué)者革新 3D 生物打印，支架孔徑達(dá)到細(xì)胞水平！超精準(zhǔn)“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(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了活細(xì)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(jìn)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(jī)，制造出細(xì)胞支架，再將細(xì)胞種入支架中，使細(xì)胞得以生長，并根據(jù)需要長成組織或器官。但現(xiàn)實(shí)往往很“骨感”。在實(shí)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(xì)胞支架，這直接關(guān)系到附著其上的細(xì)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(tuán)隊(duì)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(xì)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(jī)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(xì)解讀了這項(xiàng)最新成果，以及他另一項(xiàng)可能應(yīng)用更廣闊的研究——最聰明的生物材料。

給細(xì)胞打印宜居的“家”
一直以來，3D 生物打印的一大難點(diǎn)，在于如何為細(xì)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(xì)胞直徑約為 10 微米，如果支架的孔徑是上百微米，那細(xì)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(xì)胞放到水凝膠材料當(dāng)中，直徑 10 微米左右的細(xì)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(xì)胞的生長很多時候都會被束縛，更談不上實(shí)現(xiàn)細(xì)胞功能。

“所以我們希望給細(xì)胞構(gòu)建出一個三維的立體空間，且孔隙的量級和細(xì)胞的尺寸相當(dāng)，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(shí)現(xiàn)材料的孔隙。
根據(jù)論文介紹，李劍宇團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)此類生物支架的快速制造。為此他們制備出一種由負(fù)載細(xì)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(diǎn)在于，在很小的范圍內(nèi)對材料的 pH 值進(jìn)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(xì)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(xì)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(xì)胞的生長，更不要說實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的功能。李劍宇表示，這個研究的新意在于，團(tuán)隊(duì)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(xì)胞支撐的結(jié)構(gòu)，大大提升了制備效率。

實(shí)驗(yàn)表明，該生物墨水在經(jīng)過 3D 打印后，形成了細(xì)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(xì)胞兼容性，且在支架中保持較高的細(xì)胞存活率。

李劍宇表示，除了實(shí)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(jī)械性質(zhì)進(jìn)行靈活調(diào)控，比如細(xì)胞的粘彈性。

據(jù)介紹，材料的粘彈性在生物材料的實(shí)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(xì)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(xì)胞的功能和行為進(jìn)行很好的控制。包括控制干細(xì)胞的分化和控制細(xì)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(tuán)隊(duì)利用其打印了由人聲帶成纖維細(xì)胞和人氣管上皮細(xì)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(xì)胞的生長和擴(kuò)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(xiàng)生物打印領(lǐng)域的新研究，其實(shí)只是李劍宇團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)械性能遠(yuǎn)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(tuán)隊(duì)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(qiáng)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(yuǎn)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(shí)現(xiàn)藥物控釋、細(xì)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(hù)，但沒法促進(jìn)傷口愈合。而李劍宇團(tuán)隊(duì)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(hù)傷口，同時還能對組織施加一定的外力，來促進(jìn)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(yuǎn)，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(dāng)，同時在機(jī)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(jī)參與到臨床的手術(shù)操作中。

當(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，他希望，未來進(jìn)行組織修復(fù)治療時，能夠直接使用一臺像機(jī)械臂一樣的生物打印機(jī)，直接在椎間盤或是軟骨上進(jìn)行修復(fù)。

由于多數(shù)創(chuàng)口都是不規(guī)則的，所以機(jī)械臂需要在上面根據(jù)具體的情況實(shí)時進(jìn)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(shí)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(jī)械臂生物打印機(jī)也已經(jīng)被他納入到研究項(xiàng)目當(dāng)中。

尋找科研的“現(xiàn)實(shí)”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(jìn)入到了生物材料和生物工程領(lǐng)域。

圖 | 李劍宇

其個人的獨(dú)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(shí)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(shí)際應(yīng)用。

10 年前，李劍宇自己都認(rèn)為其所聚焦的研究，僅僅是一項(xiàng)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(jìn)展，讓李劍宇逐漸看到了將這項(xiàng)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(shí)問題的開端。

李劍宇介紹，當(dāng)時有一個病例，因?yàn)榛颊哐�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(dāng)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(shí)際的臨床病例，讓李劍宇清晰認(rèn)識到，科研工作也可以在實(shí)際醫(yī)療中表現(xiàn)出真實(shí)的意義。

目前，李劍宇團(tuán)隊(duì)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(biāo)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。