清華大學《iLIVER》：肝臟組織工程的生物3D打印和生物材料的創(chuàng)新

來源：生物3D打印機

近日，清華大學臨床醫(yī)學院附屬北京長庚醫(yī)院肝胰膽中心在《iLIVER》上發(fā)表了《Innovations in 3D bioprinting and biomaterials for liver tissue engineering: Paving the way for tissue-engineered liver》。點擊獲取原文PDF

肝臟作為人體最大的內(nèi)臟器官，在諸多生理過程中扮演著關鍵角色，包括膽汁分泌、糖原儲存、宏量營養(yǎng)素代謝（如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和碳水化合物）等。此外，肝臟還參與解毒、造血和凝血等多種生理過程，是身體功能的重要調(diào)節(jié)器官。

肝組織工程 （LTE） 用于構(gòu)建體外仿生肝臟模型，可作為疾病研究、藥物篩選和細胞替代療法的平臺。相較于傳統(tǒng)制造方法，生物3D打印能夠精確輸送和沉積生物墨水，促進細胞在復雜的3D環(huán)境中重新組織，模擬自然組織結(jié)構(gòu)。

生物材料

生物3D打印用于組織工程，以創(chuàng)建微環(huán)境，通過功能性生物材料模仿真實組織。理想的功能性生物材料具有高生物相容性、機械強度、柔韌性、可加工性和可調(diào)降解性等特性。生物材料可分為天然生物材料和合成生物材料。

天然生物材料通常水溶性，對于LTE應用具有有利特性，如提高與細胞相容性、易操作和可重塑性。然而，它們也存在一些缺點，如機械性能降低、可用性有限和降解速率不一致。為了彌補這些缺陷，合成生物材料應運而生，具有高機械強度、柔韌性、可加工性和可降解性等特征。

然而，與天然生物材料相比，合成生物材料缺乏細胞識別和粘附位點，導致生物相容性相對較低。每種材料都有自己的優(yōu)點和局限性，組合之后的材料是3D生物打印材料的主要來源。

值得注意的是，肝臟的ECM由體內(nèi)各種組織和細胞合成和分泌的大分子的復雜網(wǎng)絡組成。它主要由蛋白質(zhì)成分和糖蛋白組成。天然生物材料為肝臟ECM的重建提供了機會。用于構(gòu)建肝細胞微環(huán)境的生物材料的另一個常見選擇是肝臟脫細胞細胞外基質(zhì)，它直接來自動物來源。由于脫細胞生物基質(zhì)的跨物種耐受性，這種生物材料受到青睞，可有效降低免疫排斥的風險。

生物材料的交聯(lián)

生物材料溶液通常通過交聯(lián)轉(zhuǎn)化為 3D 結(jié)構(gòu)，會影響打印結(jié)構(gòu)在生物環(huán)境中的機械強度、物理化學性質(zhì)和行為。根據(jù)生物材料主鏈和官能團的性質(zhì)，交聯(lián)方法可分為幾類，包括物理反應、化學反應、酶促反應及其組合。物理交聯(lián)方法包括離子相互作用和靜電相互作用，化學交聯(lián)方法包括光交聯(lián)和溫控交聯(lián)。交聯(lián)對于建立結(jié)構(gòu)理想和生物力學穩(wěn)定的組織模型至關重要，必須在交聯(lián)方法、交聯(lián)尺度和可印刷性之間取得平衡。

物理交聯(lián)

離子相互作用：通過離子相互作用交聯(lián)是將水凝膠轉(zhuǎn)化為 3D 結(jié)構(gòu)的最常見方法之一，因為多價陽離子誘導的凝膠化可以在適合細胞存活的溫度和 pH 環(huán)境中完成。值得注意的是，海藻酸鹽進行離子介導交聯(lián)的難易程度與海藻酸鹽基生物材料的廣泛使用交織在一起。

靜電相互作用：生物材料可以通過靜電相互作用進行自交聯(lián)，從而提供了一種規(guī)避上述與金屬陽離子相關的問題的方法，這些問題可能會破壞細胞培養(yǎng)微環(huán)境。在這種交聯(lián)方法中，兩種帶相反電荷的生物材料組合使用（例如，帶正電荷的明膠或殼聚糖和帶負電荷的海藻酸鹽或κ-角叉菜膠），并且通過靜電相互作用網(wǎng)絡將生物墨水糊化。然而，這種方法可能導致異步交聯(lián)時間以及不均勻區(qū)域。

化學交聯(lián)

光交聯(lián)：光交聯(lián)是3D生物打印中一種重要的交聯(lián)方法，因為它具有簡單性、成本效益和可遠程控制性。光交聯(lián)通常是通過在光引發(fā)劑存在下用從紫外光到可見光的光輻射照射樣品來實現(xiàn)的。雖然紫外線光源很容易獲得，但紫外線是電離的，因此對生物樣品有害。因此，應仔細考慮紫外線照射時間和強度等因素。與海藻酸鹽通過離子相互作用交聯(lián)的敏感性類似，GelMA是3D生物打印中最容易光聚合的生物材料。在LTE中，GelMA在紫外光下已交聯(lián)，用于各種應用，從獨立的GelMA使用到與海藻酸鹽的結(jié)合。組織工程中使用的其他光交聯(lián)方法包括硫烯偶聯(lián)和可見光交聯(lián)。

溫控交聯(lián)：溫控交聯(lián)是最簡單的交聯(lián)方法之一，但由于對生物活性的嚴格溫度要求（通常為37°C或以下），其在LTE中的應用受到一定限制。

酶促反應

酶被認為是交聯(lián)生物墨水的重要試劑，因為它們在溫和的反應條件下具有活性，并且對細胞微環(huán)境的影響最小。在LTE中，基于酶的交聯(lián)通常被用作進一步增強結(jié)構(gòu)剛性的輔助方法。

真正重現(xiàn)肝組織微環(huán)境是LTE的最終目標。然而，考慮到組織工程的現(xiàn)狀和生物材料的進步，實現(xiàn)這一目標還有相當長的路要走。目前，天然和合成生物材料在LTE中都有廣泛的應用。雖然每種類型的生物材料都有其獨特的潛力和優(yōu)勢，但僅靠單一材料通常無法滿足組織工程任務的要求。

肝臟dECM被認為是最接近復制天然ECM的生物材料，然而，由于免疫原性和低機械強度等因素，其適用性受到限制。多組分生物墨水的發(fā)展有望規(guī)避單組分水凝膠生物墨水的限制，未來的方向應推動基于dECM的多組分生物墨水，結(jié)合天然和合成材料，更準確地概括肝組織模型的結(jié)構(gòu)和組成。

在交聯(lián)方面，它不僅影響生物墨水的印刷適性和化學性能，還影響組織工程結(jié)構(gòu)的機械強度和生物微環(huán)境。交聯(lián)程度和所需結(jié)構(gòu)之間存在微妙的平衡，因此，根據(jù)目標結(jié)構(gòu)優(yōu)化交聯(lián)方法和程度至關重要。

隨著技術進步，有望為克服LTE的挑戰(zhàn)提供新的視角，為實現(xiàn)肝組織模型在藥物檢測、疾病探索和替代療法中的應用提供有價值的參考，最終為LTE的發(fā)展做出貢獻。