英國3D生物打印器官研究獲得突破性進展

3D生物打�。�3D-Bioprinting）是一個令人興奮的新技術，該技術可能有一天會實現(xiàn)可移植人體器官的定制化。日前，英國斯旺西（Swansea）大學醫(yī)學院的一組科學家正在研究新一代3D生物打印技術的設計和開發(fā)，以及使用生物方法制造活組織。
隨著研究進展，科學家們認為，3D生物打印技術很有希望用來制造活體結(jié)構(gòu)以替代人體受損的或患病的組織。據(jù)天工社了解，當前，研究人員們正在著力解決因關節(jié)炎產(chǎn)的膝關節(jié)或髖關節(jié)的組織損傷和因癌癥造成的腹部、氣管及乳房的切除而進行組織置換問題。
該研究小組正在開發(fā)制造活體組織結(jié)構(gòu)的機器——3D生物打印機，目前已經(jīng)開發(fā)的最新版本被稱為3Dynamic組織工程工作站（3Dynamic Tissue Engineering Workstation），這臺3D生物打印機使得3D生物打印這種復雜的工藝變得更加準確、可靠和經(jīng)濟。斯旺西大學醫(yī)學院的Daniel Thomas博士在介紹這臺機器時說。
“3D生物打印技術已經(jīng)發(fā)展到可以在更廣泛的范圍內(nèi)用于大學的實驗和臨床應用的水平。短期內(nèi)，這種技術就可能得到更多的應用，并且會更有效推動再生醫(yī)學領域的研究和創(chuàng)新�！�

斯旺西大學的實驗性3Dynamic組織工程工作站，其被用于生產(chǎn)以軟骨細胞為基礎的組織，例如脊椎動物氣管部分。

這項研究是從兩年前開始的，當時因為缺少可以3D打印軟組織的設備，所以斯旺西的研究團隊根據(jù)材料的特點專門設計了一款機器。天工社發(fā)現(xiàn)，這臺機器專門使用軟骨細胞做為原料，制造并并維持一些身體組織中的軟骨基質(zhì)。這些細胞可以被生物打印成3D生物體系結(jié)構(gòu)，比如氣管的形狀。這臺機器的精度已經(jīng)達到了可重復制造復雜的生物結(jié)構(gòu)的水平。
研究團隊目前正在此基礎上繼續(xù)進行技術改進，包括開發(fā)3D生物打印硬件、固件和軟件。這些改進將直接來源于對傳統(tǒng)3D打印工藝的創(chuàng)新。研究團隊將技術開發(fā)與科學研究相結(jié)合，致力于解決細胞自我組織、發(fā)育生物學和組織成熟過程等方面，其最終目標是制造復雜的生命結(jié)構(gòu)。

3D生物打印使用軟骨細胞、藻酸鹽、透明質(zhì)酸、轉(zhuǎn)化生長因子SS1、抗生素和明膠等物質(zhì)的混合物產(chǎn)生多相組織；以形成可打印的生物活性凝膠，這種凝膠可長成組織。

研究人員目前已經(jīng)開始將這項技術用于膝關節(jié)修復。當下對于關節(jié)炎造成關節(jié)軟骨磨損的患者最好的治療方案就是進行關節(jié)置換手術，為其安裝一個人工關節(jié)。這是一個痛苦的過程，而且并不一定是永久有效的。利用3D生物打印進行組織修補，可先制備，然后再移植，從根本上而允許膝關節(jié)軟骨修復。2010年，全球膝關節(jié)置換市場價值為69億美元，而且隨著人類老齡化的到來，到2017年預計將增長至110億美元。
與傳統(tǒng)的3D打印技術相比，斯旺西大學的團隊更著重于發(fā)展全數(shù)字化的設備，以便于更有效地沉積復雜的生物基液體�！�3D生物打印本質(zhì)上是通過傳統(tǒng)的逐層自動化增材沉積技術來制作三維的功能性活體組織的過程。” Daniel說�！斑@個過程必須由計算機數(shù)字控制，以確保做為構(gòu)建材料的生物活性凝膠的精確沉積，同時還需要考慮到細胞的自組織屬性，以便產(chǎn)生可測量的、系統(tǒng)性的、具備代謝能力和功能特性的活體功能組織�！�

利用3D生物打印制成的準組織，經(jīng)過兩天的成熟后會變成以軟骨細胞為基礎的組織。

該研究團隊使用的3D生物打印技術的工作原理是首先在注射器型沉積系統(tǒng)中裝入含有每毫升2至2000萬個軟骨細胞并混合以藻酸鹽、透明質(zhì)酸、生長因子β1，抗生素和明膠的生物活性凝膠。打印機的控制軟件是基于Pronterface架構(gòu)設計的，可以通過驅(qū)動步進電機精確定位打印頭在XYZ坐標系統(tǒng)中的位置。這使得制造組織時的精度能達到±5μm，就像常規(guī)的3D打印系統(tǒng)。

3D生物打印還可以用來制造血管組織，當然這需要同時打印相應的支架，以確保在制造過程中血管結(jié)構(gòu)得到支撐。上圖就是研究人員打印的一個比較大的動脈的結(jié)構(gòu)，還屬于準組織。

打印好的準組織被轉(zhuǎn)移到一個37.8℃反應器中，每兩天更換一次生長因子，然后細胞開始在三周內(nèi)生長和成熟為一個組織。這其中的關鍵點是：在成熟過程中需要添加0.1％的透明質(zhì)酸到生物凝膠中去，以限制蛋白聚糖的流失。Daniel解釋說：“這個很重要，因為蛋白聚糖是細胞外基質(zhì)的關鍵組成部分。它是組織中細胞之間的填充物質(zhì)，起到對周圍組織進行結(jié)構(gòu)和生化支撐的作用，沒有它則組織無法正確形成�！�

使用3D生物打印工藝制造的顎、耳結(jié)構(gòu)和簡化的骨小梁幾何結(jié)構(gòu)。

通過改變沉積速度，就可以改變每層的分辨率。其他的方法也包括使用多種生物材料打印三維生物支架。各種以水凝膠為基礎的材料可用于制造支架，比如血纖維蛋白、聚（丙交酯 - 共 - 乙交酯）（它是多孔的），還有瓊脂糖和藻酸鹽等。這是制造可置換動脈的一種方法。這項技術的挑戰(zhàn)是要充分理解用于制造活性組織的三維細胞結(jié)構(gòu)和適當?shù)闹Ъ懿牧现�間的相互作用關系。為了克服這些局限性，研究團隊正在開發(fā)新的方法來把細胞和支架精確地堆疊在一起。
從長遠來看，這項研究的最終目的是把3D生物打印變成一種制造工藝，以用于生產(chǎn)多種類型的組織，這些組織可作為手術修復材料或在短期內(nèi)對藥物作用進行檢測。據(jù)天工社了解，研究團隊下一步的工程將是使不同類型的細胞——包括間質(zhì)干細胞、心肌細胞、祖細胞、成骨細胞和骨細胞——同時沉積以產(chǎn)生更為復雜的組織，甚至器官。Daniel解釋說：“不同的干細胞材料可以產(chǎn)生復雜的組織，可以用于比如說腹部或乳房重建等應用。為了繼續(xù)深入這個課題，我們目前正在研究耳朵部件的制造工藝，比如耳蝸，這是人耳結(jié)構(gòu)最重要的部分。”
在這個領域的進一步發(fā)展，也可能導致未來對手術中病人的直接進行3D生物打印，將相應的組織或器官直接打印到患者體內(nèi)。這將意味著未來的臨床手術將發(fā)生革命性的變化。