生物3D打印新突破！心肌組織可體外存活超6個月

來源：中國科普博覽

生物3D打印是3D打印技術革命中非常新奇有趣的一個應用，但到目前為止我們?nèi)匀粠缀鯚o法制備具有生理功能并且可以長期存活的復雜組織。不過，從中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所和清華大學傳來了喜訊，兩家單位的聯(lián)合研究團隊突破了相關技術瓶頸，成功打印出具有體外活性的心肌組織。該成果已于今年2月在線發(fā)表。

△（圖片來源：參考文獻1）

生物3D打印是利用3D打印機，將含有細胞、生長因子和生物材料的生物墨水打印出仿生組織結構的新興技術。這項技術都有哪些值得探討的地方，中國科學家們又取得了怎樣的突破，一起來看看吧。

一、生物3D打印技術難關之一——生物墨水
醫(yī)療行業(yè)從2014年開始集中關注器官組織的3D打印技術，其中最為人所知的主要是利用金屬、陶瓷、塑料等材料制成填充物，修復骨骼等堅硬的人體部分。此外，3D打印技術還可以制成心臟等臟器的硅膠模型，以便外科醫(yī)生在正式手術前研究療法或進行演練。

△計算機斷層掃描后3D打印的棘龍頭骨（兩種尺寸）（圖片來源：維基百科）

之后，隨著生物3D打印技術的發(fā)展，如何選擇合適的材料和工藝，實現(xiàn)打印皮膚、眼角膜這些既需要生物相容性、也對柔軟度和韌性有較高要求的組織和器官，成為了如今的研究熱點。與此同時，生物墨水這一新概念也逐漸走進了大家的視野。能否打印出人體器官組織，最關鍵的技術之一便是用于3D打印的原材料，也就是生物墨水。

在目前的生物3D打印技術中，單獨的細胞本身無法充當打印材料，因此需要一些特殊的物質(zhì)，作為支撐細胞存活的基質(zhì)�；�質(zhì)與細胞融合后，混合物再從打印機的噴頭中噴射出來用于打印，這種混合物便是生物墨水（有時生物墨水也單指基質(zhì)本身）。根據(jù)制法、原料的不同，生物墨水的性能也不盡相同，但成分來說大多是含有干細胞的水凝膠。以膠原、明膠、玻尿酸、褐藻酸以及納米植物細胞等生物聚合體作為基礎的生物墨水，具有良好的生物相容性，同時容易進行3D打印。打印出的構造可以模仿真實的細胞間基質(zhì)，這也讓打印復雜的立體組織結構成為可能。

△3D生物打印的適用范圍（從分子、細胞再到組織和器官）（圖片來源：參考文獻2）

生物墨水對材料的要求極高，必須滿足以下三點才可以打印出合適的組織。第一，細胞相容性，以保持干細胞的活力。第二，合適的硬度，以保持干細胞的形狀。第三，適宜的柔軟度和粘度，以保證其能被打印機的噴嘴噴出。

為了滿足這些要求，科學家們進行了不斷地實踐。2017年，瑞士廠商推出了一款新型的合成生物3D打印墨水，其主要成分是水凝膠，能提供一種三維的肽納米纖維支架，從而促進細胞的生長和移動。之后，蘇黎世聯(lián)邦理工學院復合材料實驗室的研究團隊，研發(fā)出了一種內(nèi)含不同種類細菌的3D打印生物墨水，依據(jù)各種類型細菌的特性，可以適用于皮膚移植、化學物質(zhì)降解等多個領域。2019年，英國紐卡斯爾大學使用生物墨水成功打印了人體角膜，整個生產(chǎn)過程不到10分鐘。研究人員將來自健康供體角膜的干細胞與藻酸鹽和膠原蛋白混合在一起，創(chuàng)造出了這款新型生物墨水。

△即便是角膜也具有非常復雜的結構（圖片來源：維基百科）

二 、生物3D打印技術難關之二——打印機

3D打印組織器官除了對生物墨水有極高的要求，也需要能配合其使用的打印機。2016年，瑞典一家公司就推出了使用生物墨水的專用3D打印機。他們研發(fā)出的配套生物墨水是以納米纖維素為基礎的水凝膠，這種材料提供了與細胞外基質(zhì)相似的結構，能夠讓細胞與墨水混合打印。該3D打印機只要先進行立體印刷，再對打印完的結構進行交聯(lián)，形成的組織就變得容易后處理并且耐沖擊。

大多數(shù)3D生物打印機都采用了特殊的結構，這也讓液滴噴射過程中，剪切力和液滴的沖擊力對細胞活性造成的沖擊可以最小化。打印機的噴頭孔徑一般為150微米到2毫米之間。打印過程中細胞或分子保持液態(tài)，打印后可以短時間凝固，呈現(xiàn)黏彈性狀態(tài)。這種液態(tài)到固態(tài)的變化可以盡量減少對細胞、生物活性因子以及其他微粒的損傷，保證細胞的存活，從而有利于體外培養(yǎng)。打印過程中，需要將生物墨水打印在生物支架上，打印后該支架不僅能起到維持細胞混合體三維結構的作用，同時還可以維持后續(xù)細胞的生長和存活率。隨著細胞的成活以及組織的形成，這些生物支架又可以經(jīng)處理自行降解。

三、生物3D打印技術難關之三——印刷工藝

在生物墨水和打印機之外，還有一項因素非常關鍵，這就是印刷工藝。好的工藝可以將材料和設備本身的潛力發(fā)揮到最大，同時盡量避免暴露材料或者設備的缺陷。很多時候材料和設備的性能提升會陷入瓶頸，這時就需要仰仗于工藝角度的創(chuàng)新。當然，工藝本身和材料與設備并不能嚴格割裂，很多時候工藝的改進過程本身也會對材料和設備進行升級。

之前的生物3D打印技術存在的最大問題就是很難重現(xiàn)真正的組織結構，打印出的產(chǎn)物并非是三維有機體，而是一個細胞群構成的團塊。團塊中細胞之間的連接方式以及細胞在基體中的位置，都非常的隨意而松散，與真正生物體中的有序結構相去甚遠。而器官又是在組織的基礎上形成的，假如連接近真實情況的組織都無法生產(chǎn)，3D打印器官就是更加遙遠的夢想了。不過，本次中國科學家們獲得的新成果，就很好地再現(xiàn)了打印組織的三維結構，這其中的關鍵就是打印工藝的革新。

研究團隊首先將六軸機器人的設計原理融入到生物3D打印技術中，這種機器人具有六個可以360°自由轉(zhuǎn)動的關節(jié)，所以改進后的3D打印機可以在空間內(nèi)以任意角度進行細胞打印，極大地增加了3D打印的靈活性。傳統(tǒng)技術條件下，打印過程一般為自下而上的逐層累加，細胞和血管網(wǎng)絡也因此而難以有機融合。

△專門用于生物3D打印的六軸機器人（圖片來源：參考文獻1）

我國研究人員重新設計了循環(huán)式的“打印-培養(yǎng)”工藝，不追求一次成型，添加了培養(yǎng)工序。具體而言就是在血管支架上打印出若干層細胞后，再對其進行的一段時間的整體共培養(yǎng)。當打印細胞之間誘導出具有生理功能的胞間連接和新生毛細血管網(wǎng)后，再進行新一輪細胞打印。這種方法雖然在生產(chǎn)效率上處于劣勢，但在印刷質(zhì)量方面具有優(yōu)勢，不僅可以更好地再現(xiàn)組織結構，還可以保證打印組織的長期存活。

經(jīng)過種種努力，我國科研人員最終研發(fā)出了具有內(nèi)生毛細血管網(wǎng)絡，且能夠在體外存活的心肌組織。更絕的是，這些組織可以在體外起搏超過6個月，展示出了良好的生理活性和應用前景。將類似的工藝應用于其它的干細胞和生物墨水體系，就有希望誘導培養(yǎng)出其它的人體組織。在未來，3D打印所需的干細胞將直接來自于患者，這些自體細胞在移植入身體后，將不會產(chǎn)生免疫排斥反應，從而同時解決供體不足和免疫排異這兩大難題。

隨著3D生物打印技術的日趨成熟，生物墨水的種類也將越來越豐富，相應的設備和材料也會實現(xiàn)成本降低。雖然目前人類的科學水平還不足以直接在體外培育人體器官，但不得不說中國科學家們的成果讓我們向這一夢想前進了一小步。相信總有一天，我們能夠攻克萬難，解決器官移植供體不足的難題，造福于全體人類。


出品：科普中國

作者：李卓思（生物學博士/教授）

監(jiān)制：中國科普博覽

參考文獻：

1. A multi-axis robot-based bioprinting system supporting natural cell function preservation and cardiac tissue fabrication
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2452199X22000743

2. Recent advances in bioprinting techniques: approaches, applications and future prospects
https://translational-medicine.b ... 6/s12967-016-1028-0

3. 【CELLINK社製　3Dバイオプリンター】
http://www.filgen.jp/Product/SI/Cellink/index2.html

4. 【人工皮膚を3D印刷できるバイオプリンターを開発！35分で1㎡の移植用皮膚を作成可能】
https://www.dtod.ne.jp/world_topics/article82.php