人體組織3D生物打印技術(shù)六項研究進展

來源：美國機械工程師學(xué)會（ASME）

近年來，3D生物打印技術(shù)在實現(xiàn)打印可移植器官目標方面取得了長足的進步。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。

活細胞3D打印技術(shù)遵循標準3D打印方法的同時，又進行了一點改變。根據(jù)給定的CAD文件，打印機逐層放置材料構(gòu)建形狀。生物打印機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胞，它們存在于海藻酸鹽或明膠等粘性物質(zhì)之中。細胞通常建立在支架上，用來支撐和保護細胞。

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

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

這項研究的負責(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，但其中很少有項目涉及血管。

“脈管系統(tǒng)非常重要，因為這是宿主和移植器官相互交流的方式。”Karande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。自體植皮會造成疼痛并產(chǎn)生新傷口。Karande補充說，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，目前其團隊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新組織生長的細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)

這項研究的負責(zé)人萊斯大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師Antonios Mikos說，與許多實驗室正在研發(fā)的細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胞。“要想在支架的不同位置植入不同的細胞群，以前無法做到這一點，但是現(xiàn)在可以了�！彼�說。

Mikos稱：“這種技術(shù)主要的創(chuàng)新點是能夠在空間上裝載擁有不同類型細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隊”曾負責(zé)過這項工作，他表示，使用柔軟的活體材料，能達到前所未有的分辨率和逼真度。

人體的每個器官，例如心臟，都是由稱為細胞外基質(zhì)（ECM）的生物支架聚集在一起的特化細胞所構(gòu)建的。這種細胞外基質(zhì)蛋白構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)為細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)雜的細胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)�！把芯勘砻鳎�使用細胞和膠原蛋白，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�！彼�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胞進行3D生物打印�！�

Feinberg實驗室的博士生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。”Hudson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
另一項最新研究進展是手持式3D打印機，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)干細胞（MSCs）組成，這些干細胞根據(jù)環(huán)境的不同而分化為特殊的細胞類型。

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

“我們之前已證實可以將細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，”Guenther說。

當(dāng)該研究團隊于2018年推出其第一臺皮膚打印機原型時，人們認為它是同類設(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。目前他的研究團隊正在負責(zé)這項研究。

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)研究團隊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細胞，并為重塑目標組織提供適當(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�！�

該團隊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，能將打印效果進行有效強化，使骨骼結(jié)構(gòu)更加堅固。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)進行自定義。

一旦生物打印過程完成，充滿細胞的納米工程離子-共價糾纏網(wǎng)絡(luò)就會交聯(lián)，形成更牢固的支架。通過這項技術(shù)，研究人員已經(jīng)能夠?qū)θ梭w部位進行細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隊取得了3D打印人體器官替代品方面的進步。

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，但該校研究團隊的實驗卻能夠在實驗鼠身上完成。

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、團隊負責(zé)人Shaochen Chen說，這種精確的3D打印技術(shù)讓軟凝膠和細胞基質(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)細胞不僅彼此相連，而且與作為宿主的實驗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，實驗室培育的細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，并最終實現(xiàn)3D生物打印技術(shù)目標：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是來自明尼蘇達州圣保羅市的獨立作家。