生物3D打印在組織器官構(gòu)造和體外組織模型開發(fā)的進展

來源： EFL生物3D打印與生物制造

生物打印技術(shù)的進步推動了復(fù)雜、功能性組織結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建，可用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)。各種方法，包括擠壓、噴射和基于光的生物打印，都有其獨特的優(yōu)點和缺點。多年來，研究人員和行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者在增強生物打印技術(shù)和材料方面取得了重大進展，從而生產(chǎn)出越來越復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)。盡管取得了這些進展，但在實現(xiàn)臨床相關(guān)的、人體尺度的組織結(jié)構(gòu)方面仍需應(yīng)對挑戰(zhàn)，這對廣泛的臨床轉(zhuǎn)化構(gòu)成了障礙。

然而，隨著跨學(xué)科研究和合作的不斷進行，該領(lǐng)域正在迅速發(fā)展，并為個性化醫(yī)療干預(yù)帶來了希望。生物打印技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和改進有可能滿足復(fù)雜的醫(yī)療需求，從而實現(xiàn)功能性、可移植的組織和器官以及先進的體外組織模型的開發(fā)。因此，來自維克森林大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Anthony Atala團隊進一步概述了生物3D打印在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景。相關(guān)論文以“3D Bioprinting for Engineered Tissue Constructs and Patient-Specific Models: Current Progress and Prospects in Clinical Applications”為題于2024年10月18日發(fā)表在《Advanced Materials》上。

圖1 基于細胞的生物打印的3D打印方法

1.3D打印技術(shù)概述

（1）3D打印技術(shù)
3D打印主要包括擠出式、噴射式和基于光的生物打印技術(shù)。擠出式生物打印通過擠壓機械來分配材料，形成連續(xù)的材料流（圖1A）。它可以處理不同粘度的生物墨水，但可能面臨噴嘴堵塞和較高剪切應(yīng)力的問題，這需要優(yōu)化打印參數(shù)，如打印速度和材料的動態(tài)粘度。噴射打印通過微噴嘴將低粘度材料按滴分配，適用于精確的空間定位和梯度控制（圖1B）。該方法利用熱動力或壓電執(zhí)行器進行精確控制，但由于低粘度材料的層疊保真度限制，需要額外的交聯(lián)時間�；�于光的生物打印使用光（如紫外線）來固化光敏材料，適合制造復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)（（圖1C））。這種方法需要使用具有較低粘度的光敏材料來減少z軸層疊時的拖拽效應(yīng)，但也要注意選擇合適的光源和材料以避免對細胞造成損傷。

（2）先進的生物打印技術(shù)
為解決傳統(tǒng)生物3D打印技術(shù)的限制，逐漸發(fā)展了的更先進生物打印技術(shù)。嵌入式打印允許在支持浴中打印，使得可以創(chuàng)建更精細的結(jié)構(gòu)而無需犧牲層（圖1D）。利用臨時、可逆轉(zhuǎn)的支持材料（如明膠、藻酸鹽、Carbopol等），打印后通過環(huán)境變化釋放最終結(jié)構(gòu)。珠噴射打印通過無噴嘴的噴射方式，利用空氣微流體學(xué)在高通量下定位含有細胞的Matrigel珠子（圖1E）。這種方法可以重建復(fù)雜的組織，如肌肉和皮膚，并能進行毛囊再生。另外，體積打印在保持高細胞活性的同時，可以迅速打印出大尺寸的組織構(gòu)建（圖1F）。

（3）生物墨水
隨后，作者詳細介紹了生物墨水（Bioinks）的種類、特性以及在3D生物打印中的應(yīng)用（圖2）。生物墨水主要由水性和水凝膠配方組成，其中包括自然來源的材料如膠原蛋白、明膠、藻酸鹽等，以及合成材料如聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）。這些墨水設(shè)計用于在打印過程中支持細胞生存，具有適宜的機械性能和生物相容性。作者進一步討論了如何通過調(diào)整水凝膠的物理和化學(xué)交聯(lián)方式，改善生物墨水的打印性能。例如，增加水凝膠的濃度可以提高其粘度，從而改善打印過程中的形狀保持能力和結(jié)構(gòu)完整性。整體而言，這一部分強調(diào)了生物墨水在3D生物打印中的核心作用，其配方和性質(zhì)直接影響打印過程的效率和打印結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。通過不斷優(yōu)化和創(chuàng)新生物墨水的配方，可以顯著提升生物打印技術(shù)在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用潛力。

圖2 用于基于細胞的生物打印的生物墨水的生物材料類型

2.應(yīng)用：生物3D打印可移植組織結(jié)構(gòu)
生物3D打印策略旨在創(chuàng)建適合臨床應(yīng)用的組織構(gòu)造，并有可能設(shè)計各種組織類型。制造組織或器官的主要考慮因素之一是必須采用能夠準確模擬目標組織或器官結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計策略。這需要深入了解被復(fù)制的組織或器官的解剖和功能方面。生物3D打印的優(yōu)勢在于它能夠有效地實施這種設(shè)計策略，從而可以創(chuàng)建與其自然等同物非常相似的精確組織或器官模型。

設(shè)計策略涵蓋各種組織類型，包括基于形狀的組織，如骨骼、軟骨、皮膚[87]和角膜；中空結(jié)構(gòu)，如血管、尿道和氣管；有組織的組織，如骨骼肌、心肌和神經(jīng)組織；復(fù)合組織，如骨軟骨（骨-軟骨）和肌腱（肌腱）組織；以及整個器官，如腎臟、肝臟和心臟（圖3）。這些器官需要復(fù)雜的微血管和功能性內(nèi)部結(jié)構(gòu)才能有效運作。通過結(jié)合生物材料、細胞以及生化和生物物理線索，生物3D打印提供了重建人體組織結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜性的機會。這種方法可以精確設(shè)計組織形狀、組織、結(jié)構(gòu)和整合，為再生醫(yī)學(xué)和組織工程的進步鋪平了道路。

圖3 生物3D打印技術(shù)能夠創(chuàng)建各種形狀和大小的結(jié)構(gòu)

3.應(yīng)用：生物3D打印體外組織模型
體外組織模型旨在通過整合人體細胞和 ECM 成分來復(fù)制組織和器官的生物、結(jié)構(gòu)或生理功能。這些仿生平臺具有多種應(yīng)用，例如藥物測試、毒性評估和疾病建模，并有望徹底改變藥物發(fā)現(xiàn)過程。傳統(tǒng)制藥方法面臨著成本高、時間長和臨床前動物測試可預(yù)測性有限的挑戰(zhàn)。體外組織建模技術(shù)旨在通過提供更準確、更高效的藥物開發(fā)平臺來克服這些障礙。

在傳統(tǒng)的體外組織建模中，細胞通常在2D條件下培養(yǎng)，例如在組織培養(yǎng)板中，這是一種基本方法。然而，某些細胞類型在這種條件下可能會失去其自然特性和功能。為了解決這個問題并為細胞提供更逼真的環(huán)境，人們采用了替代方法（圖4）。先進的技術(shù)包括將細胞培養(yǎng)為聚集體（球體）或類器官，利用3D生物打印創(chuàng)建復(fù)雜的組織/器官結(jié)構(gòu)，以及集成微流體平臺以支持動態(tài)微環(huán)境。雖然2D和3D細胞培養(yǎng)系統(tǒng)都具有高通量篩選能力，但它們可能無法模擬天然組織的復(fù)雜性和功能。相比之下，基于微流體的組織芯片在復(fù)制組織復(fù)雜性方面表現(xiàn)出色，但可能需要更適合高通量應(yīng)用。   

圖4 體外組織建模系統(tǒng)，包括2D細胞培養(yǎng)、3D類器官、生物打印組織構(gòu)造和微流體驅(qū)動的組織模型

鑒于組織和器官固有的復(fù)雜性，其特點是細胞類型多樣、幾何排列特定，生物3D打印對于提高體外模型的準確性至關(guān)重要。為了獲得與天然功能和表型緊密復(fù)制的組織模型，它們必須經(jīng)歷成熟過程。這涉及動態(tài)培養(yǎng)條件，例如灌注環(huán)境、機械和電刺激以及多種細胞類型的共培養(yǎng)。圖5說明了各種組織模型的功能分類，包括神經(jīng)生理、肌肉功能、代謝疾病、骨骼和造血、感染和多器官相互作用系統(tǒng)。當前的研究重點是改進這些模型，以更好地解決特定的組織特征和應(yīng)用。技術(shù)的進步正在推動生物3D打印體外組織系統(tǒng)的進步，該系統(tǒng)針對一系列組織和器官模型進行了量身定制。   

圖5 生物打印體外組織模型系統(tǒng)，可復(fù)制組織或器官特定的生物、生化和生物力學(xué)功能以及器官間相互作用，用于藥物發(fā)現(xiàn)和精準醫(yī)療

最后，作者總結(jié)了生物3D打印在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的當前進展，并對未來的發(fā)展方向提出了展望：

（1）技術(shù)進步的總結(jié)：文中回顧了3D生物打印技術(shù)如何實現(xiàn)從簡單結(jié)構(gòu)到復(fù)雜組織構(gòu)建的轉(zhuǎn)變，特別是在提高打印精度、材料多樣性以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜度方面的進展。同時指出，盡管取得了顯著的技術(shù)突破，但實現(xiàn)完全模擬人體組織的復(fù)雜性和功能性仍面臨挑戰(zhàn)。

（2）未來展望：文章強調(diào)了未來研究的重點將包括開發(fā)更為先進的生物墨水，這些墨水不僅要支持細胞生長，還要模擬細胞外基質(zhì)的生物化學(xué)和生物力學(xué)屬性。此外，提高生物打印組織的成熟度和功能化，以及推動其臨床應(yīng)用將是重要的研究方向。

（3）跨學(xué)科合作的重要性：指出實現(xiàn)3D生物打印技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化需要材料科學(xué)、細胞生物學(xué)、工程學(xué)等多個領(lǐng)域的專家進行更深入的合作。通過集成不同學(xué)科的知識和技術(shù)，可以加速3D生物打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。   

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adma.202408032