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3D生物打印实用化脚步渐近

发布时间:2019-03-07 20:50:26

美国维克森林大学再生医学研究所供图

3D打印器官组织模型并非难事,但要想打印出具有生物活性的器官组织却不简单。不过,美国维克森林大学再生医学研究所研发出的改进版3D生物打印机或许可以化繁为简。

该校研发的“一体式组织—器官打印系统”(ITOP)可以在打印出的组织内部构造微型通道。在器官的初步成长中,这些微型通道可以提供血管的功能,使营养物质和氧分子抵达器官内部的细胞。

“这一打印机可以制造出稳定、符合人体尺寸的任何形状的组织。未来,这一技术将可以打印活体组织和器官结构,用于器官移植手术。”项目负责人安东尼·阿塔拉说。

不过,微通道离真正意义上的血管还有很大距离,但ITOP的各种技术突破仍然给3D生物打印带来更多思路。

多项技术获突破 3D生物打印机是一种以生成具有功能性的组织和器官为目标,可以按分层图样打印细胞的机器。然而,很多此类产物在结构上都不稳定,以至于无法进行手术植入。另外,由于很多打印产物缺乏血管,它们的大小受到营养物质和氧气的扩散限制,所以只能做到200微米左右,这样的尺寸对于制作人体组织和器官来说都实在太小。

阿塔拉研究团队为解决上述问题,把细胞和可生物降解的聚合物材料一起打印,聚合物材料在新形成的组织成熟之前,提供了机械强度。为了克服尺寸限制从而打印出足够大的组织,研究团队还在打印构建体的设计中融合了微通道,这样养分和氧气可以输送到打印出的结构中任何部位的细胞中。

在中国科学院物理研究所—重庆大学生物3-D打印联合研发团队的负责人刘雳宇看来,ITOP突出的优势就是集中整个打印过程于一体,实现了细胞与骨架的同时打印。

“现在3D生物打印是先打出结构,再注入细胞,而ITOP可以实现细胞合并材料的同时打印,并保证了细胞的存活性。这样的话,整个结构就成为一个动态的活性结构,细胞会在里面不停地生长,并终发展成我们所设计的器官或组织的样子,这是一个很大的突破。”刘雳宇对《中国科学报》分析称。

为了测试打印效果,研究团队将3D打印的“耳朵”植入在小白鼠皮下,两个月后,植入的耳朵不仅保持形状,还生成了适当的软骨组织。而另一部分打印并移植的肌肉组织,仅用了两周时间,就在小白鼠体内引起神经形成。

在刘雳宇看来,没有生物活性就不是真正意义上的生物打印。ITOP利用构造出的微管道来为细胞存活提供必需的养分,并从临床上证明了其打印出来的结构具备生物兼容性,不会有排异反应,这是一个令人振奋的成果。

不仅如此,刘雳宇还表示,利用已有成像技术3D扫描形成打印所需数字模板、多喷头协同工作、利用不同打印方式和培养环境来控制细胞分化和组织,这些都是ITOP对比现有3D生物打印所具备的强劲特色。

血管打印是难点 虽然研究人员在试验中使用人类细胞及兔子、老鼠等动物的细胞进行人造器官组织打印,都取得了不错的效果,但正如阿塔拉所述:“目前,这项技术还处于早期试验阶段,须进一步改善。”

重庆大学教授刘如川表示,ITOP只是尝试了几类组织/器官的打印,虽然在一定程度上利用了细胞自发行为,并知道这几类组织/器官3D打印及后续培养条件,但没有完全掌控其中的细胞分化或组织机制,对于其他组织/器官仍需大量实验摸索条件。

另外,ITOP只是打印出了一些微通道,并没有涉及到组织/器官中所需的血管的打印,离真正意义上的血管/毛细血管还有艰难的一大步要走。

“血管有很多功能,要有弹性,第二能够交换很多营养和物质,所以血管打印是一个难点。”刘如川说,“文章中虽然粗浅地提到有血管生成,但是不是水凝胶材料能够诱导血管生长,目前并不确定。”

不仅如此,刘如川称,ITOP还没有涉及到心脏(及其他循环系统中的组织)、大脑(神经络)、呼吸系统中的肺泡等,所有这些都与管道、络相关,也是3D生物打印的目标,ITOP要想摘得3D生物打印的“皇冠”还很困难。

中国3D打印技术产业联盟副理事长周功耀对此也持谨慎态度。他表示,生物技术领域还有很多人类没能掌握、没有探究到的信息。即使人工器官在体外功能正常,一旦植入体内,是否能运作、是否产生毒素以及有哪些副作用目前都不得而知。

“人体系统非常复杂,不到万不得已不能用有限技术制成的器官去对接无限复杂的人体系统,应对生命是3D生物打印发展的大困难。”周功耀说,“3D生物打印的一些前瞻性研究和个体实例出现是好事,但在植入人体前还要做大量实验、积累并分析大量数据,要做的事情还有很多。”

路径探索 当前,3D生物打印主要应用于打印心脏、肝、肾等手术对照模型,但在大多数专家看来,面向植入生物体的生物兼容性材料,或者以细胞为材料的打印技术,才算得上真正意义上的3D生物打印。

“3D生物打印能否取得突破关键取决于材料。”刘雳宇将大部分精力集中到材料研究上,在他看来,3D生物打印的材料决定了细胞在里面到底能够存活多久,“目前研究人员大多集中在水凝胶材料上,其实理想的材料是长完之后不会留任何残余,而是跟人体完全融合的材料。”

中国科学院动物研究所研究员赵同标则对《中国科学报》表示,细胞来源也是3D生物打印非常重要的方面。成体干细胞将是主要方向,而不能去用一些末端成熟的细胞。成体干细胞在生物材料上还能继续发育分化,形成末端成熟的细胞与组织器官一致,如果应用于人体内,很可能会形成统一的功能整合体。

另外,如何像上帝之手一样设计器官,并控制细胞长成我们预料的器官,

3D生物打印实用化脚步渐近

也是3D生物打印未来的突破点。“这就像蒸馒头,虽然做的时候是一个小点,但蒸出来的馒头要跟我想象的大小、形状一模一样,这就是难点。”刘雳宇形象地比喻。

刘雳宇表示,未来,3D生物打印更多的是要与临床相结合用于疾病的治疗,组织修复无疑是其大方向之一。除此之外,利用3D打印在体外做出个体病人病变组织模型,来进行病变机制研究(比如癌症侵袭及预测)、药物尝试筛选等,实现针对不同个体的医疗,也将是主要研究方向。

“3D生物打印跟其他打印不一样,未来不一定要实现大规模的生产,而是更趋向于个体化、化,因此不需要在成本上太过纠结。当然它一定要安全和有效,因为它跟人的生命息息相关。”刘雳宇补充道。

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