不是科幻片！3D打印微型眼部植入物有望治療糖尿病

2023年10月，南極熊獲悉，研究人員向前邁出了革命性的一步，使用3D打印技術(shù)制造了專為糖尿病治療而設(shè)計(jì)的生物混合微結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)創(chuàng)新源于KTH 皇家理工學(xué)院和卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院之間的合作，研究人員推出了一種用于人眼的醫(yī)療微型設(shè)備，為全球不斷增長(zhǎng)的 1 型和 2 型糖尿病人口提供了基于細(xì)胞的醫(yī)療治療的新途徑。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)利用了Nanoscribe的 3D 打印技術(shù)和材料。


△植入物帶有產(chǎn)生胰島素的細(xì)胞

研究背景
糖尿病是一種快速增長(zhǎng)的全球疾病，已被稱為世界上增長(zhǎng)最快的公共​​疾病。來自不同機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)證實(shí)了這場(chǎng)健康危機(jī)的規(guī)模。瑞典糖尿病協(xié)會(huì)報(bào)告稱，受影響人數(shù)達(dá)到驚人的 4.25 億。與此同時(shí)，世界衛(wèi)生組織(WHO)表示，全球約有4.22億人患有糖尿病。這些人大多數(shù)生活在低收入和中等收入國(guó)家。國(guó)際糖尿病聯(lián)合會(huì)( IDF) 進(jìn)一步估計(jì)，2019 年糖尿病導(dǎo)致全球約 420 萬人死亡。過去幾十年來，糖尿病的患病率一直在穩(wěn)步上升。在這種背景下，新技術(shù)的出現(xiàn)為全球很大一部分人口提供了一個(gè)有前途的解決方案。



研究人員制造了一個(gè)由活細(xì)胞制成的微型3D打印結(jié)構(gòu)，小到可以放入眼睛的前部，從而醫(yī)生可以密切關(guān)注它如何幫助治療糖尿病。這項(xiàng)新發(fā)明可能是未來幫助糖尿病患者邁出的一大步。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在了《Advanced Materials》期刊上，題目為《3D-Printed Biohybrid Microstructures EnableTransplantation and Vascularization of Microtissues in theAnterior Chamber of the Eye》(《3D 打印的生物混合微結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)眼前房微組織的移植和血管化》）

有關(guān)糖尿病治療的前沿研究
基于這一承諾，研究人員推出的最新設(shè)備針對(duì)糖尿病管理的關(guān)鍵組成部分。該設(shè)備的重點(diǎn)是胰島，即胰腺中產(chǎn)生胰島素的部分。KTH 微納米系統(tǒng)系教授 Wouter van der Wijngaart 解釋了該設(shè)備的獨(dú)特設(shè)計(jì)：“我們?cè)O(shè)計(jì)了該醫(yī)療設(shè)備，使其能夠?qū)⒒铙w迷你器官固定，可以避免額外固定的需要�！�


△胰島生物混合微結(jié)構(gòu)的定位、移植和應(yīng)用的示意圖

這種設(shè)計(jì)意味著無需額外的步驟即可將其固定到位。KTH 生物納米技術(shù)系高級(jí)講師 Anna Herland 進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)：“我們將整個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)為楔子，因此我們可以機(jī)械地將結(jié)構(gòu)固定在眼前房虹膜和角膜之間的角度上。當(dāng)我們?cè)谛∈笊砩蠝y(cè)試該技術(shù)時(shí)，觀察到該裝置在活體中保持其位置幾個(gè)月，并且微型器官迅速與宿主動(dòng)物的血管融合并正常發(fā)揮作用�！�

利用 3D 打印



這項(xiàng)研究的核心是微型設(shè)備的 3D 打印部分。這項(xiàng)名為“3D打印生物混合微結(jié)構(gòu)使眼前房微組織移植和血管化成為可能”的研究強(qiáng)調(diào)了將生物成分與精確制作的結(jié)構(gòu)相結(jié)合的力量。Nanoscribe（現(xiàn)隸屬于BICO旗下）專門針對(duì)生命科學(xué)應(yīng)用開發(fā)了高精度IP-Visio 光樹脂，研究人員正是用它來打印這些生物混合微結(jié)構(gòu)。

●IP-Visio 是一種專為 3D 打印而設(shè)計(jì)的特殊材料，精確度很高，這對(duì)于許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要。

●另外，它對(duì)細(xì)胞是安全的（無細(xì)胞毒性）并且不會(huì)發(fā)出太多的光，因此非常適合在顯微鏡下觀察細(xì)胞。

●此外，它的設(shè)計(jì)能夠與活體組織很好地配合，這對(duì)于該研究的目標(biāo)至關(guān)重要。

研究人員使用 Nanoscribe 的商用雙光子聚合(TPP) 3D 打印機(jī)定制微結(jié)構(gòu)，使其牢固地融入眼前 (ACE)，該位置位于虹膜和角膜之間，即使虹膜移動(dòng)，這些結(jié)構(gòu)也能確保穩(wěn)定性。通過這樣的設(shè)計(jì)，設(shè)備保持穩(wěn)定，在小鼠測(cè)試中，研究人員將微小的胰腺切片移植到小鼠眼睛的 ACE 中。


△Nanoscribe IP-Visio 光樹脂

這些微型器官與宿主動(dòng)物的血管融為一體，可以正常發(fā)揮功能20周以上，不僅突出了該設(shè)備的實(shí)用性，而且還提供了對(duì)組織相互作用、制作組織中的血管發(fā)育和潛在疾病模型的更深入的理解。值得注意的是，研究人員標(biāo)為表示這是 IP-Visio 的首次體內(nèi)研究，并強(qiáng)調(diào)不可能與其他移植研究進(jìn)行比較。

開創(chuàng)性研究
這項(xiàng)研究中使用的開創(chuàng)性方法是在卡羅林斯卡學(xué)院實(shí)驗(yàn)內(nèi)分泌學(xué)教授 Per-Olof Berggren 的專業(yè)知識(shí)下進(jìn)行的。

Berggren在將朗格漢斯島移植到小鼠眼前房方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，他表示：“該裝置是獨(dú)一無二的，將成為我們繼續(xù)開發(fā)集成微系統(tǒng)以研究胰島功能和存活的基礎(chǔ)�！� 他還強(qiáng)調(diào)了這種方法的轉(zhuǎn)化重要性，強(qiáng)調(diào)了正在進(jìn)行的臨床試驗(yàn)，將ACE中的朗格漢斯島移植到人體以治療糖尿病。

Berggren強(qiáng)調(diào)了研究進(jìn)展的更廣泛重要性，并指出細(xì)胞移植治療已經(jīng)開始應(yīng)用于各種疾病領(lǐng)域，范圍已超出糖尿病范圍。改善細(xì)胞治療的主要障礙之一是沒有一種簡(jiǎn)單的方法來檢查移植的情況。如果沒有侵入性手術(shù)，就很難保證移植手術(shù)能夠長(zhǎng)期發(fā)揮作用。

Herland 表示：“我們的發(fā)明是邁向先進(jìn)醫(yī)療微型設(shè)備的第一步，該設(shè)備既可以定位又可以監(jiān)測(cè)細(xì)胞移植的功能。我們?cè)O(shè)計(jì)的設(shè)備可以定位微型器官，例如類器官和朗格漢斯島，而不限制細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。工作還展示了在眼睛前房中首次使用機(jī)械固定裝置，相信我們的設(shè)計(jì)將使未來能夠集成和使用更先進(jìn)的設(shè)備功能，例如集成電子或藥物釋放�！�

這項(xiàng)研究利用3D打印技術(shù)，照亮了醫(yī)學(xué)科學(xué)的前進(jìn)道路，特別是在制定應(yīng)對(duì)糖尿病等挑戰(zhàn)的創(chuàng)新策略方面。隨著世界面臨糖尿病患病率不斷上升，這些生物混合解決方案可以為疾病治療鋪平道路。

原文鏈接：DOI: 10.1002/adma.202306686