3D擠壓生物打印技術(shù)能否在未來實現(xiàn)器官移植？

導(dǎo)讀：增材制造在過去30年里取得了極大的進(jìn)步，現(xiàn)在正被廣泛用于醫(yī)療領(lǐng)域。現(xiàn)在，對使用3D打印技術(shù)制造組織和器官的研究越來越多，這一領(lǐng)域被稱為3D生物打印。這種趨勢是器官移植的需求和捐贈者的可用性嚴(yán)重不匹配產(chǎn)生的。那么3D生物打印的前景如何？優(yōu)勢與劣勢有什么呢？

南極熊獲悉，在2022年5月，來自倫敦大學(xué)的研究者們提出了“3D擠壓生物打印技術(shù)能否在未來成為器官移植的真正替代品？”的疑問，引發(fā)人們的深思，他們將他們的關(guān)于此問題的研究成果發(fā)表在了《Annals of 3D Printed Medicine》，研究人員主要研究了基于擠壓技術(shù)的3D生物打印，并給出了其優(yōu)勢和劣勢，同時回顧了打印組織和器官的工作，特別整理了制造皮膚、肝臟、心臟和血管的例子。研究人員認(rèn)為，鑒于該領(lǐng)域已經(jīng)取得的巨大進(jìn)展，通過3D生物打印技術(shù)創(chuàng)造出用于移植的全功能組織和器官未來可期！

在他們的研究中，主要探索和分析了以下內(nèi)容：
●3D生物打印有可能解決器官短缺的問題
●擠壓式生物打印最有可能創(chuàng)造出功能性的器官
●擠壓式生物打印的主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
●有關(guān)器官和血管的生物打印中存在的關(guān)鍵問題
●3D生物打印帶來的倫理問題





△3D生物打印過程

擠壓生物3D打印的優(yōu)勢與劣勢

1.優(yōu)勢
與其他類型的生物打印相比，擠壓式3D打印兼容性很強(qiáng)。它可以連續(xù)擠出生物墨水，在快速制造過程中可以制造具有結(jié)構(gòu)完整性的產(chǎn)品。擠壓式生物打印的機(jī)械系統(tǒng)屬于直接過程控制，可以促使生物墨水能夠以高精度被擠出，從而保證打印部件的精度和機(jī)械性能。 使得3D器官的缺陷更少，精度更高，在設(shè)計復(fù)雜性方面的限制更少。 擠壓生物打印也可以使用高粘度生物材料，包括水凝膠、細(xì)胞膜和具有高細(xì)胞密度的高粘性生物材料，解決自支撐問題，進(jìn)一步加強(qiáng)了其在再生醫(yī)學(xué)中的潛力。這種生物打印系統(tǒng)的成本更低，有助于人們研究和開發(fā)，這也支持了它在未來可用于大規(guī)模生產(chǎn)人體器官的想法。


△基于擠壓的生物3D打印

2.劣勢
擠壓式3D打印是所有生物打印方式中分辨率最低的（約100微米），因此限制了3D打印組織的功能。擠壓式生物打印的分辨率可以通過減少噴嘴的尺寸來提高，但當(dāng)噴嘴直徑小于150微米時就會發(fā)生堵塞，并且增加了生物墨水沉積的壓力，這意味著對細(xì)胞會施加更高的剪切應(yīng)力，從而大大損害了細(xì)胞。另一個降低細(xì)胞活力和增加細(xì)胞損傷風(fēng)險的因素是使用高粘性生物墨水�；�于擠壓的生物打印只與高粘性生物材料兼容。盡管高粘度的生物匯具有提供高硬度的優(yōu)勢，從而允許更大的機(jī)械穩(wěn)定性，但它們會導(dǎo)致低 "可打印性"（即剪切稀化行為差）。打印階段后的細(xì)胞活力可能在45%到90%之間，這取決于生物墨水的粘度、細(xì)胞濃度和噴嘴直徑。因此，與擠壓式生物打印的主要挑戰(zhàn)是在使用高粘度的生物墨水和保持高打印能力和細(xì)胞活力之間取得平衡。

盡管3D擠壓生物打印有很多局限性，但它仍然被認(rèn)為是最有效的生物打印方式，至今已被用于打印許多3D組織（如肝臟和心臟組織）），如下圖，它還創(chuàng)造了皮膚等器官。


△3D打印皮膚與人的皮膚的對比

擠壓式3D生物打印在未來是否能夠創(chuàng)造出功能齊全的人體器官？
毫無疑問，3D擠壓生物打印是一項開創(chuàng)性的技術(shù)，它已經(jīng)創(chuàng)造了人類活體組織和器官，其未來潛力巨大。然而，問題是它在未來是否能夠創(chuàng)造出功能齊全的人體器官？在過去的40年里，3D打印已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步；例如，3D打印機(jī)的成本已經(jīng)大幅下降。 此外，在過去27年里，3D打印市場的價值以26.2%的復(fù)合年增長率大幅增長。2017年，該行業(yè)的總價值為73億美元，預(yù)計到2021年將達(dá)到108.1億美元。我們看到3D生物打印市場的擴(kuò)張和發(fā)展也有類似的趨勢；2014年，與3D生物打印和生物打印產(chǎn)品直接相關(guān)的企業(yè)數(shù)量超過了30家。Organovo和Invetech這兩家公司還在2009年設(shè)計了第一批商用3D生物打印機(jī)之一。雖然此領(lǐng)域迅速發(fā)展，但擠壓式3D生物打印還面臨著一些問題：

●生物墨水的問題：材料粘度過高
●缺少將血管網(wǎng)絡(luò)整合到3D打印器官中的方法
●細(xì)胞來源尚不清楚

倫理問題
細(xì)胞的來源需要仔細(xì)考慮，就干細(xì)胞而言，其來源的不同，會出現(xiàn)重大的倫理問題。

●一些干細(xì)胞來自胚胎或胎兒，分別被稱為人類胚胎生殖細(xì)胞和人類胎兒細(xì)胞。這些細(xì)胞來自人工流產(chǎn)后的胎兒，在某些情況下，婦女僅僅為了這個目的而懷孕。
●另一種選擇是使用異種細(xì)胞，這可能會引起某些反對使用動物細(xì)胞的宗教患者的倫理問題，以及有關(guān)個人身份的社會心理問題。幾乎所有涉及生物打印的研究都使用在胎牛血清（FBS）中培養(yǎng)的細(xì)胞。
●此外，目前使用的大多數(shù)生物材料中都含有動物成分，如膠原蛋白，以增強(qiáng)細(xì)胞的粘附性和活力。

因此，有人提出了一個被稱為 "清潔生物打印 "的術(shù)語，作為定義不使用動物來源成分的生物打印策略的一種手段。這些方法包括使用不含F(xiàn)BS的介質(zhì)，如人血小板裂解液和人血清白蛋白。此外，膠原蛋白是生物材料中常用的成分，大多是從牛、豬或嚙齒動物中提取的。一種替代方法包括生產(chǎn)重組人膠原蛋白。然而，這個過程存在多種問題，包括創(chuàng)建全長膠原蛋白的挑戰(zhàn)，以及生產(chǎn)類似于本地分子的膠原蛋白。

在使用病人自己的細(xì)胞不可行的情況下，會使用捐贈細(xì)胞，這也會產(chǎn)生一些問題，比如捐贈者不給予知情同意或被脅迫提供異體細(xì)胞。移植的器官理論上屬于誰，也變得不清楚。是接受者、捐贈者、實施手術(shù)的外科醫(yī)生、醫(yī)院，還是負(fù)責(zé)制造器官的生物打印公司？3D生物打印器官相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)也會存在問題 。此外，還存在關(guān)于研究的問題，包括如何資助研究，以及研究公司對其研究結(jié)果的透明度如何？。例如，公司是否有義務(wù)與其他團(tuán)體分享他們的研究以促進(jìn)發(fā)展？ 因此，需要強(qiáng)有力的指導(dǎo)方針和普遍的倫理架構(gòu)來克服3D生物打印器官移植所產(chǎn)生的許多復(fù)雜的倫理問題。

原文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.stlm.2022.100066