《中國新材料研究前沿報告2021》增材制造材料——增材制造生物醫(yī)學(xué)材料

作者：黃衛(wèi)東、王理林、王猛
來源：日新材料

4.1.4 / 增材制造生物醫(yī)學(xué)材料
生物醫(yī)學(xué)材料（Biomedical Materials），又稱生物材料，是用于臨床診斷、治療、修復(fù)、 替換人體組織 / 器官或增進其功能的新型高技術(shù)材料，與人類健康息息相關(guān)。生物材料科學(xué)與工程總是與其終端醫(yī)療產(chǎn)品（一般指醫(yī)用植入體）密不可分，通常談及生物材料，既指材料自身，也包括醫(yī)用植入器械。近年來，為滿足組織器官移植及組織損傷修復(fù)的巨大且迫切的臨床需求，復(fù)雜組織器官“活性”再造與“功能”重建已成為生物材料領(lǐng)域的研究熱點與難點。而生物增材制造技術(shù)因具有個性化、高仿生、高精度等突出優(yōu)勢，能夠滿足生物材料對高度仿生及結(jié)構(gòu)精細制造等的復(fù)雜要求，為解決上述難題帶來了新技術(shù)與新方法，在生物材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

4.1.4.1　生物增材制造工藝與裝備研究進展
增材制造生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展同生物增材制造工藝與裝備的發(fā)展密不可分。當前主流的打印工藝主要包括：噴墨生物打印、擠出生物打印、激光輔助生物打印、光固化打印等，用于打印骨、軟骨、骨骼肌、皮膚、神經(jīng)、血管、肝臟等組織器官。為了進一步提升生物增材制造打印精度、細胞存活率等，擴展生物增材制造技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)材料的應(yīng)用可能性，各國科研機構(gòu)與企業(yè)不斷探索創(chuàng)新工藝，涌現(xiàn)出原位打印、體內(nèi)制造和復(fù)合制造等一批新技術(shù)。

生物增材制造技術(shù)作為世界醫(yī)療領(lǐng)域的研究前沿與熱點，獲得了全球眾多研究機構(gòu)的高度關(guān)注及各國政府的重視與支持。目前，全球已有超過 300 家專門從事生物增材制造工藝 / 裝備研究和開發(fā)的研究機構(gòu)和公司。生物增材制造工藝方面國際上主要有美國 Wake Forest 再生醫(yī)學(xué)研究院、美國普林斯頓大學(xué)、哈佛大學(xué) WYSS 學(xué)院、新加坡國立大學(xué)等高校 / 研究機構(gòu)，國內(nèi)則有清華大學(xué)、浙江大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院等 高校 / 研究所。生物增材制造設(shè)備研究方面國際上主要有美國 Organovo 公司、德國 Envision TEC 公司、日本 Cyfuse Biomedical 公司、瑞典 Cellink 公司等企業(yè)，國內(nèi)主要有廣州邁普公司、杭州捷諾飛公司等企業(yè)。各高校 / 機構(gòu)、企業(yè)紛紛圍繞生物增材制造工藝、裝備等核心問題進行攻關(guān)，使得生物增材制造技術(shù)得以快速發(fā)展。

為了確保生物醫(yī)用材料增材制造工藝研究的順利開展，國際上圍繞增材制造裝備的打印方式、打印精度、打印功能等方面開展了創(chuàng)新研制，并取得了多項成果。2018 年，哈佛醫(yī)學(xué) 院研究人員開發(fā)出一種基于立體光刻的生物打印平臺，用于多材料制造異質(zhì)水凝膠構(gòu)造。該新型微流體裝置能夠在不同（細胞負載的）水凝膠生物炭之間快速切換，以實現(xiàn)逐層多材料生物打印 [177]。2019 年，瑞典 Cellink 公司宣布推出 BIO X6，該裝備負載新型的六打印頭生物 3D 打印系統(tǒng)，可在六個不用的位置同時使用不同的壓力、溫度和方法進行打印。2020 年， 荷蘭 3D 打印機制造商 FELIXprinters 發(fā)布了新型生物 3D 打印機 FELIX BIOprinter，該裝備配備了可以擠出多種黏度材料的強勁電機，可適用于所有類型的生物 3D 打印研究，其可以分配黏度高達 64000cP（動力黏度，1cP=10-3Pa·s）的各種黏性材料，并具有從液體到糊劑材料和生物油墨的擠出能力。

在生物打印工藝方面也取得了豐富的研究成果。2018 年，韓國成均館大學(xué)開發(fā)了一種創(chuàng)新的細胞打印工藝，輔以微流體通道，核殼噴嘴和低溫處理，以獲得載有細胞的 3D 多孔膠原支架，利用此工藝開發(fā)的 3D 多孔生物醫(yī)學(xué)支架在冷凍保存 2 周后，支架中的細胞（成骨細胞樣細胞或人脂肪干細胞）顯示出良好的活力，在組織工程應(yīng)用方面具有巨大潛力 [178]。同年，韓國理工大學(xué)研究了一種新的擠出生物打印技術(shù)，可以同時創(chuàng)建異構(gòu)、多細胞和多材 料結(jié)構(gòu)，并利用此技術(shù)制造了異質(zhì)的組織樣結(jié)構(gòu)，如脊髓、肝小葉、血管和毛細血管，與均相和異質(zhì)細胞打印相比，異質(zhì)模型顯示出良好的肝小葉結(jié)構(gòu)和更高的 CYP3A4 酶活性 [179]。2019 年，哈佛大學(xué)的 Jennifer Lewis 教授團隊開發(fā)出一種全新的生物 3D 打印方法：功能性組 織中直接打印犧牲材料（SWIFT）工藝，采用器官構(gòu)建塊（OBBs）作為打印基底，使用其獨創(chuàng)的 SWIFT 打印技術(shù)在其中打印用于形成復(fù)雜血管通道的犧牲材料。后續(xù)通過溫度變化， 使得細胞外基質(zhì)溶液凝膠固化，以方便洗脫犧牲材料，在組織中形成血管通道 [180]。同年， Albanna 等利用噴墨原位打印工藝，采用纖維蛋白原 / 膠原 + 自體角化細胞 / 成纖維細胞進行修 復(fù)，研究結(jié)果顯示傷口閉合提前 3 周，傷口收縮減少 50%，再上皮化加速 4 ～ 5 周 [181]。2020 年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的 Matthias P. Lutolf 課題組創(chuàng)新性提出了 BATE 打印技術(shù)（Termed Bioprinting-Assisted Tissue Emergence），使用干細胞和類器官作為自發(fā)的自組織構(gòu)建單元，這 些構(gòu)建單元可以在空間上排列以形成相互連接且不斷進化的細胞結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對類腸道組織、多細胞復(fù)雜組織的打印，為干細胞和再生醫(yī)學(xué)提供新的方法，為工程化自組織（Self- Organization）、功能化組織甚至多種組織組合提供了強大的工具 [182]。同年，基于熔融靜電直 寫和擠出式打印的復(fù)合制造技術(shù)，荷蘭烏得勒支大學(xué)團隊完成了骨、軟骨多層結(jié)構(gòu)的打印， 成功構(gòu)建軟硬組織交接的界面，并且骨、軟骨和交界處的力學(xué)性能均可調(diào)控以實現(xiàn)更好的仿生效果 [183]。

4.1.4.2　生物墨水研究進展
全球生物墨水領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)品日新月異，天然高分子材料（明膠、透明質(zhì)酸、硫 酸軟骨素、葡聚糖、海藻酸、殼聚糖、肝素等）、人工合成材料（聚乳酸、聚己內(nèi)酯、聚羥基乙酸、乳酸 - 羥基乙酸共聚物、多臂聚乙二醇等）及多種干細胞（胚胎干細胞、神經(jīng)干細胞等）等生物 3D 打印原材料已實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，相關(guān)原材料產(chǎn)業(yè)化程度較好。但為突破可打印生物材料（又稱“生物墨水”）種類匱乏對生物增材制造技術(shù)在醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域應(yīng)用的限制， 各研發(fā)團隊根據(jù)打印產(chǎn)品功能化、與打印工藝的匹配等需求，攻關(guān)傳統(tǒng)生物墨水不穩(wěn)定、生物活性差等應(yīng)用瓶頸，開展材料的功能化改進等技術(shù)研究，致力于開發(fā)更多具有特殊性能的 新型生物墨水，不斷擴充增材制造生物墨水庫，進一步拓展生物增材制造技術(shù)在醫(yī)用材料領(lǐng) 域的應(yīng)用，目前已在生物自組裝材料、響應(yīng)型材料、功能型材料等新型生物墨水方向進行技 術(shù)研究與開發(fā)。

2018 年，賓夕法尼亞大學(xué)研究人員開發(fā)出一種微凝膠生物墨水（包括 NorHA、PEGDA、 瓊脂糖流變生物墨水），該墨水在打印時允許流動，在沉積時能快速凝固，并可通過二次交聯(lián)進一步穩(wěn)定，可用于細胞打印、異質(zhì)打印、二次交聯(lián)等，具有較大的應(yīng)用潛力 [184]。2020 年，加州大學(xué)的 Ali Khademhosseini 教授和 Nureddin Ashammakhi 教授團隊開發(fā)了一種可在細 胞包載初期自發(fā)產(chǎn)生氧氣的 GelMA 基 3D 打印生物墨水，通過向 GelMA 墨水中添加過氧化 鈣（CPO）及過氧化氫酶以持續(xù)產(chǎn)生氧氣，提高了細胞的存活率，該 CPO-GelMA 墨水為水 凝膠 3D 細胞培養(yǎng)過程中氧氣無法及時供應(yīng)而導(dǎo)致封裝細胞活性差的問題提供了新的解決思 路 [185]。2020 年，瑞典隆德大學(xué)瓦倫堡分子醫(yī)學(xué)中心的 Nathaniel S.Hwang 研究團隊制備了一 種由天然聚合物海藻酸鹽組成、并用脫細胞化的細胞外基質(zhì)（dECM）增強生物活性的組織 特異性復(fù)合生物墨水，可用于打印人類呼吸道上皮祖細胞和平滑肌細胞組成的氣管空腔結(jié)構(gòu)， 該研究為下一代組織特異性生物墨水的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，并使生物 3D 打印組織應(yīng)用于臨床移植成為可能 [186]。2021 年，萊斯大學(xué)的 Antonios Mikos 教授團隊發(fā)明了一種使用光敏明膠 納米粒子作為膠體構(gòu)建單元，可 3D 打印且具有形狀記憶功能的新型生物墨水，納米粒子之間存在非共價相互作用，膠體凝膠可以形成為可擠出和自修復(fù)的墨水，因此可在室溫下打印， 并通過紫外線照射使 3D 打印體穩(wěn)定化 [187]。

4.1.4.3　增材制造生物醫(yī)學(xué)材料開發(fā)及功能性組織重建
（1）增材制造生物醫(yī)學(xué)材料在組織修復(fù)領(lǐng)域的研究進展
通過生物增材制造技術(shù)構(gòu)建的軟、硬組織工程支架已在組織修復(fù)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用，如 3D 打印骨植入物等硬組織修復(fù)產(chǎn)品及人工硬腦膜等軟組織修復(fù)產(chǎn)品。當前各國專家學(xué)者仍在不斷嘗試通過引入各類活性因子、優(yōu)化打印工藝、開發(fā)新型生物墨水等方法，探索更加高效的軟、硬組織修復(fù)生物醫(yī)學(xué)材料。

2019 年，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的 Chen Shaochen 教授課題組和 Tuszynski 課題組 合作，采用微尺度連續(xù)投影光刻法（μCPP）3D 打印了高精度的脊髓修復(fù)支架，種植神經(jīng)祖 細胞（NPC）的脊髓支架在脊髓損傷模型內(nèi)可以支持軸突再生，幫助損傷脊髓實現(xiàn)修復(fù) [188]。2020 年，韓國浦項科技大學(xué)的 Dong Woo Cho 課題組利用生物增材制造技術(shù)開發(fā)了含脫細胞 基質(zhì) dECM 的水凝膠 +PU-PCL 半月板支架，為半月板再生提供組織特異性與微環(huán)境，具有極好的生物相容性、力學(xué)性能與生物學(xué)功能；同年，該課題組使用旋轉(zhuǎn)復(fù)合 3D 打印方法制 造了含脫細胞基質(zhì) dECM 的水凝膠 +PCL 支架，用以解決炎癥反應(yīng)，促進再生微環(huán)境，是一 種有前途的放射性食管炎治療策略 [189]。2021 年，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的 Su Ryon Shin 教授團隊 基于 GelMA 水凝膠材料，開發(fā)了一種封裝血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）的智能傷口修復(fù)支 架，裝飾有光敏和抗菌四足氧化鋅（t-ZnO）微粒，通過紫外 / 可見光照射激活 t-ZnO，可實 現(xiàn) VEGF 的智能釋放，具有良好的促傷口愈合性能 [190]。

（2）增材制造生物醫(yī)學(xué)材料在組織器官重建領(lǐng)域的研究進展
利用增材制造技術(shù)構(gòu)建的微組織產(chǎn)品在國際上較早實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，目前已成功打印并在動物體內(nèi)實現(xiàn)了皮膚、尿道、軟管、膀胱、肌肉和陰道等器官和組織的移植，且部分組 織移植后可長出血管，正在準備臨床試驗以推進人體組織 / 器官的產(chǎn)業(yè)化進程。當前，國際上專家學(xué)者專注于通過活細胞打印構(gòu)建體外組織器官、模型等并實現(xiàn)功能重建，已取得顯著成效。

2019 年，美國卡耐基梅隆大學(xué)的 Adam W. Feinberg 教授團隊構(gòu)建了具有良好生物學(xué)功 能再現(xiàn)的膠原心臟，可實現(xiàn)心室具有同步收縮（不再是一個補片）、定向動作電位傳播，以及收縮期間心室壁增厚 14% 等功能 [191]。2019 年，美國萊斯大學(xué)的 Jordan Miller 教授與華盛頓大學(xué)的 Kelly Stevens 教授利用高精度的光刻 3D 打印技術(shù)提供了復(fù)雜的血管化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的 構(gòu)建方法，實現(xiàn)了對大尺寸類肺結(jié)構(gòu)的打印，實現(xiàn)了對肺呼吸功能的模擬 [192]。2020 年，美國喬治華盛頓大學(xué)的 Grace Zhang 課題組采用可光聚合的生物墨水材料體系，利用立體光刻 （SL）3D 打印工藝構(gòu)建“腫瘤 - 血管 - 骨”異質(zhì)組織模型，探究乳腺癌細胞轉(zhuǎn)移機制 [193]，韓國浦項科技大學(xué)的 Kunyoo Shin 教授團隊以基質(zhì)成纖維細胞、內(nèi)皮細胞等作為生物墨水材料， 構(gòu)建了人體膀胱組裝體，藥理學(xué)檢測顯示，該組裝體的刺猬通路活性與體內(nèi)成體膀胱的活性 相近，表明該人體膀胱組裝體重現(xiàn)了上皮細胞與基質(zhì)之間功能的相互作用 [194]。