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生物3D打印再突破 器官移植指日可待?

生物3D打印,就如同切土豆的逆過程,即將土豆片、土豆絲、土豆丁及土豆泥反向組裝成土豆。然而,組裝出的土豆內(nèi)的細(xì)胞雖然有很好的活性,但這樣的土豆種到地里卻很難直接發(fā)芽(打印出的器官與體內(nèi)器官從功能上來說還有較大的差距),這種“形似而神不似”的問題正是當(dāng)下生物3D打印面臨的瓶頸之一。



     據(jù)記者了解,要想打印出既在外形結(jié)構(gòu)上相似,結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)胞又具有協(xié)同功能的組織器官并非易事。這不僅需要開發(fā)合適的活性“生物墨水”,還需要一臺能夠精準(zhǔn)操控的3D打印設(shè)備。

      近日,浙江大學(xué)機械工程學(xué)院教授賀永帶領(lǐng)的課題組發(fā)明了一種新型生物3D打印方法,該方法能夠操控細(xì)胞形成特定結(jié)構(gòu)的微球或微纖維,進而長成具有生物活性的微組織。相關(guān)論文先后刊登在SMALL雜志上。
不過,賀永對《中國科學(xué)報》記者坦言,很多人認(rèn)為生物3D打印已經(jīng)無所不能,甚至覺得很快就可打印心肝腎肺等器官,實現(xiàn)器官移植,然而,事實上生物3D打印還遠未達到我們最初器官打印的設(shè)想,體外打印能夠用于移植的活性器官還有相當(dāng)長的路要走。目前的生物3D打印,有兩個重要應(yīng)用,其一是構(gòu)造人體器官模型,從而為疾病機理研究、腫瘤的個性化治療等提供更為高效的手段;其二是為器官/組織的局部缺損、功能喪失等提供更高效的修復(fù)手段。
為體外重建器官提供新思路
     生物3D打印也叫細(xì)胞打印,是指操縱細(xì)胞“生物墨水”構(gòu)造活性結(jié)構(gòu)的過程,而開發(fā)合適的生物墨水一直是生物3D打印中的一個核心問題。賀永告訴記者,“生物墨水”首先要具備非常好的生物活性、類似體內(nèi)的細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境,便于打印后的細(xì)胞進一步發(fā)育,并建立細(xì)胞彼此間的通信。另外,在打印過程中還要求“生物墨水”必須具有很好的流動性,打印后能很快固化以便于固定成型。
       甲基丙烯酸化水凝膠(GelMA)就是一種光敏性生物水凝膠,兼?zhèn)漭^強的可加工性和生物相容性,是組織工程、生物醫(yī)學(xué)、生物制造等領(lǐng)域的熱門材料。不過,GelMA的固化時間稍長(約3~5秒),同時載細(xì)胞的GelMA黏度較低,導(dǎo)致其直接制造難度較大。賀永教授課題組多年從事生物3D打印研究,已成功實現(xiàn)GelMA“生物墨水”及生物3D打印機的產(chǎn)業(yè)化。
       “如果能高效實現(xiàn)GelMA微纖維的制造,就有望發(fā)展出基于微纖維的迷你組織。”受到旋繩效應(yīng)的啟發(fā),賀永課題組開發(fā)出了一種同軸生物打印技術(shù)。通過該技術(shù),賀永課題組打印出包裹人臍帶靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的直血管和螺旋血管迷你組織,細(xì)胞在GelMA里可以增殖伸展并遷移。有趣的是,隨著培養(yǎng)時間的加長,內(nèi)皮細(xì)胞還遷移到了GelMA纖維外壁,并建立連接形成類似血管的內(nèi)皮管腔。
     此外,賀永課題組還致力于構(gòu)建基于微球的迷你組織,他們將不同的細(xì)胞制成“生物墨水”,在一個微流控芯片噴頭的控制下,一點點“吐”出“墨水”。“在一股微氣流的吹動下,噴頭吐出的液滴不會馬上落下,而是旋轉(zhuǎn)起來,此時再根據(jù)數(shù)學(xué)建模控制不同組分‘生物墨水’下降的方向,就能形成精致的立體結(jié)構(gòu)。”賀永說,“這個過程有點像在轉(zhuǎn)動的蛋糕模具上裱花,讓不同細(xì)胞形成特定的立體‘編隊’。”賀永課題組用兩種分別混合了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和人臍帶靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的“生物墨水”,同步打印出了螺旋形的微球,經(jīng)過幾天實驗室培養(yǎng)便形成了骨類器官。不僅如此,他們還在微球內(nèi)制造出螺旋面、玫瑰花、太極等復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。
      “這一技術(shù)的精度可以達到單細(xì)胞分辨率。”賀永說,與現(xiàn)有生物制造方法相比,其特點是實現(xiàn)了在微小空間內(nèi)三維結(jié)構(gòu)的可控成型,為體外重建類器官、開發(fā)更為高效的器官芯片、實施更有效的細(xì)胞治療等,提供有效路徑。
主攻解決“神似”問題
     目前,生物3D技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)僅注重結(jié)構(gòu)和形狀的制造,拓展到構(gòu)建體外細(xì)胞結(jié)構(gòu)體和生物裝置,并應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)、病理學(xué)、藥理學(xué)和藥物檢測模型,以及基于細(xì)胞和微流體裝置的細(xì)胞、組織、器官等高級生物和醫(yī)療器械產(chǎn)品。
     此前在2018中國增材制造大會上,清華大學(xué)生物制造中心主任孫偉對《中國科學(xué)報》記者表示,細(xì)胞打印最關(guān)注三個問題:第一能不能打印;第二打印后能不能成型,不能形成孔結(jié)構(gòu)就沒有辦法把營養(yǎng)液放進去,打印結(jié)構(gòu)內(nèi)部細(xì)胞就會死;第三把細(xì)胞活著打印出來之后,細(xì)胞能不能具有功能。
      “生物3D打印的關(guān)鍵就是要注意選擇什么樣的噴頭、材料、黏稠度,才能使得這個細(xì)胞打出來后,至少保證90%以上的成活率。”孫偉說,他們課題組就利用明膠和海藻酸鈉組合成“生物墨水”進行打印,這種“生物墨水”具有可以隨溫度而變化的趨勢,能夠通過調(diào)控溫度使得“生物墨水”在打印時延遲性最小。
     實際上,清華大學(xué)從上世紀(jì)90年代末就開始從事生物3D打印的研究,清華大學(xué)生物制造中心教授徐弢還將生物3D打印應(yīng)用在了神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。在生物3D打印神經(jīng)鞘管方面,他們團隊利用制造學(xué)的優(yōu)勢,通過打印微孔多通道結(jié)構(gòu)的神經(jīng)導(dǎo)管,在早期進行神經(jīng)生長因子灌注。植入3個月后發(fā)現(xiàn),與未灌注神經(jīng)生長因子的神經(jīng)導(dǎo)管相比,灌注有神經(jīng)生長因子的神經(jīng)導(dǎo)管具有更好的促進組織再生的能力。
     為了使得生物3D 打印的成果更加仿生,徐弢團隊還采用了“同軸打印+納米膜制造神經(jīng)纖維束”的方法,把神經(jīng)干細(xì)胞做成像線一樣的細(xì)胞線,線的中心是神經(jīng)干細(xì)胞,周圍包裹著的則是神經(jīng)的支撐細(xì)胞,這些細(xì)胞不斷地產(chǎn)生著營養(yǎng)因子。
    “同軸打印的方式,即在中心打印神經(jīng)干細(xì)胞,在周邊打印支撐細(xì)胞,最終以條索狀的形式打印出來,然后將條索包裹起來。”徐弢表示,通過實驗發(fā)現(xiàn),這種狀態(tài)下纖維束細(xì)胞的存活率相當(dāng)高,而且也在一定程度上釋放出了神經(jīng)生長因子。
       在賀永看來,生物3D打印的發(fā)展就是要解決“形似而神不似”的問題,實現(xiàn)生物3D打印的功能化突破和應(yīng)用。打印結(jié)構(gòu)后續(xù)的功能化是評價打印性能的金標(biāo)準(zhǔn),也是生物3D打印的最終目的。
解決器官移植仍需時日
     賀永告訴記者,細(xì)胞被水凝膠包裹的狀態(tài),就如同果凍里面有一堆的水果丁,打印過程中,如果機械力、溫度等工藝控制不好,都會對細(xì)胞造成損傷。不過,目前生物3D打印的工藝已經(jīng)非常穩(wěn)定,細(xì)胞存活率基本都可以達到90%以上。不過,他也同時指出,生物3D打印目前還只能打印一些比較簡單的組織,比如皮膚、血管等,要想實現(xiàn)打印出的肝臟等復(fù)雜器官同樣“神似”,實現(xiàn)復(fù)雜器官的全功能重建,至少還需要數(shù)十年的時間。
     北京大學(xué)第三醫(yī)院教授余家闊也表示,雖然2015年3D打印的腎臟組織成功問世,但也僅是供醫(yī)學(xué)研究使用,不能真正應(yīng)用于器官移植,因為其安全性和實用性還有待探究,3D打印的器官在植入人體前還需經(jīng)過大量的實驗與數(shù)據(jù)分析。余家闊認(rèn)為,3D打印器官存在的困難主要包括打印材料以及細(xì)胞太過微小與脆弱,以及植入人體后能否自然銜接融合同時不產(chǎn)生排異反應(yīng)。他覺得,未來3D打印器官的趨勢將是以可吸收性生物材料作為載體、以細(xì)胞培養(yǎng)為基礎(chǔ),在體外構(gòu)成組織保護細(xì)胞。對于人體器官也將在研究其營養(yǎng)供應(yīng)與代謝的基礎(chǔ)上,解決經(jīng)3D打印技術(shù)培養(yǎng)出的組織體植入問題。
     徐弢則表示,未來生物3D打印技術(shù)發(fā)展的機會越來越多,只有更多地與醫(yī)療、臨床和基礎(chǔ)科學(xué)相結(jié)合,才能形成多贏的局面。


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