一文看懂生物3D打印技術(shù)如何構(gòu)建強(qiáng)度高、生物相容性好的組織支架

生物3D打印領(lǐng)域不斷發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于單純基于水凝膠類材料的組織構(gòu)建。高溫熔融生物打印技術(shù)的出現(xiàn)讓我們對(duì)高強(qiáng)度、生物相容性好的組織器官打印提供了更多的可能性。本文帶您深入淺出的看懂這種技術(shù)和未來(lái)的發(fā)展空間。

生物3D打印的進(jìn)展

生物3D打印技術(shù)以細(xì)胞、蛋白質(zhì)、生物材料等作為構(gòu)造單元，構(gòu)建生物學(xué)模型、生命系統(tǒng)和治療產(chǎn)品。由于其可量身定制性，結(jié)構(gòu)和孔隙可控性以及可復(fù)合多種材料等特性受到了研究人員的廣泛關(guān)注，是目前最具潛力實(shí)現(xiàn)人體組織及器官打印的技術(shù)。

2019年，生物3D打印技術(shù)全方位爆發(fā)，多篇生物3D打印文章發(fā)表于頂級(jí)期刊雜志（年終特稿 | 2019十大最值得關(guān)注的生物3D打印研究），如美國(guó)萊斯大學(xué)發(fā)表了生物3D打印的第一篇Science，利用高精度的光刻技術(shù)提供了復(fù)雜的血管化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，該方法使得復(fù)雜組織器官的構(gòu)建成為可能。卡耐基梅隆大學(xué)去年同樣在Science發(fā)表文章，利用懸浮膠作為打印支撐體，高精度的打印了心臟瓣膜及心臟等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，打印的心室具有同步收縮（《Science》重磅| 生物3D打印膠原心臟）。

當(dāng)前技術(shù)的局限性
雖然行業(yè)發(fā)展迅速，但當(dāng)前的技術(shù)還有諸多的局限性：

首先，人體的骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉等對(duì)生物力學(xué)有較高要求的組織，單純使用水凝膠材料顯然不能滿足科研人員的需求。

其次，高分子材料可以使用FDM技術(shù)（Fused Deposition Modeling，熔融沉積）這一常見(jiàn)的3D打印技術(shù)構(gòu)建。然而，F(xiàn)DM打印工藝在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用上有如下幾個(gè)問(wèn)題：

1. 難以保證潔凈度

2. 工藝常用的的線型材料往往不是醫(yī)用級(jí)，無(wú)法進(jìn)行可植入性實(shí)驗(yàn)

3. 無(wú)法添加輔助材料，以調(diào)節(jié)支架性能

4. 基于FDM工藝的3D打印機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高分子材料與水凝膠類材料復(fù)合打印。

高溫熔融復(fù)合打印技術(shù)

那么，

如何打印具有高力學(xué)強(qiáng)度的生物支架？

能否打印一款既能保證力學(xué)要求，

又能實(shí)現(xiàn)細(xì)胞/因子的定向分布的完美支架呢？

必須可以�。。�

今天帶領(lǐng)大家了解一下高溫熔融復(fù)合打印技術(shù)，該技術(shù)是基于傳統(tǒng)FDM技術(shù)衍生出的可以應(yīng)用于生物3D打印的工藝技術(shù)。高溫熔融復(fù)合打印技術(shù)將顆粒狀或其他形態(tài)的醫(yī)用級(jí)生物高分子材料進(jìn)行高溫熔融，噴頭按照設(shè)計(jì)軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出并迅速冷卻成型，通過(guò)材料逐層推擠形成最終的成品。這樣的技術(shù)使得打印材料可以不局限于一種，而是可以混合多種材料，以調(diào)節(jié)支架的力學(xué)性能，并且利用多材料生物打印技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高分子材料與水凝膠類材料復(fù)合打印

目前在高溫熔融復(fù)合打印技術(shù)中常用的生物高分子材料包括聚己內(nèi)酯（PCL）、聚乳酸（PLA）、聚乳酸-羥基乙酸（PLGA）等，其中PCL具有低熔點(diǎn)、可降解、生物相通性好等特點(diǎn)，同時(shí)也已獲得FDA批準(zhǔn)，是生物3D打印支架的理想材料。

應(yīng)用案例
高溫熔融復(fù)合打印技術(shù)讓更多樣的組織器官構(gòu)建成為了可能，下面我們來(lái)分享其中幾篇典型案例：

外耳組織

美國(guó)維克森林大學(xué)醫(yī)學(xué)院Anthony Atala研究團(tuán)隊(duì)在Nature Biotechnology發(fā)表文章，利用多噴頭生物3D打印系統(tǒng)，分別將含細(xì)胞水凝膠、PCL、Pluronic F-127（犧牲材料）加載至包含高溫噴頭的不同打印噴頭，通過(guò)模型處理軟件設(shè)計(jì)各噴頭打印路徑，支架打印完成后在低溫條件下去除支架中的Pluronic F-127，最終形成的支架在滿足力學(xué)強(qiáng)度的同時(shí)也能提供細(xì)胞所需的養(yǎng)分、氧氣輸送的微通道。研究人員將該支架皮下植入小鼠體內(nèi)，2個(gè)月后支架依舊保持原有結(jié)構(gòu)，且已經(jīng)形成軟骨組織和血管系統(tǒng)，這一結(jié)果表明，該打印方案通過(guò)結(jié)合生物學(xué)原理融入微通道，能夠?yàn)榧?xì)胞提供各必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，支持細(xì)胞和組織的生長(zhǎng)和功能。

Kang, H.-W., Lee, et al. “A 3D bioprinting systemto produce human-scale tissue constructs with structural integrity.” Nature Biotechnology 34(3) (2016):312–319.

肌肉組織

不僅是耳朵，Anthony Atala團(tuán)隊(duì)同時(shí)用肌纖維母細(xì)胞、PCL以及F127材料組合，利用高溫打印和水凝膠打印的多噴頭生物打印技術(shù)，構(gòu)建出肌肉組織。通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)及內(nèi)皮細(xì)胞標(biāo)記物的表達(dá)和肌電圖，結(jié)果表明細(xì)胞在打印后第三天開(kāi)始沿著PCL縱軸進(jìn)行伸展，并具有較高的活性，7天后觀察到排列整齊的肌管纖維結(jié)構(gòu)。體內(nèi)植入結(jié)果顯示，整個(gè)支架的血管化和肌肉結(jié)構(gòu)對(duì)電刺激的反應(yīng)在某種程度上與發(fā)育中的肌肉相一致，證明構(gòu)建的組織、器官都能夠在2周內(nèi)生成血管、神經(jīng)系統(tǒng)，且其自身形狀不發(fā)生改變。

Kang,H.-W., Lee, et al. “A 3D bioprinting system to produce human-scale tissueconstructs with structural integrity.” Nature Biotechnology 34(3) (2016):312–319.

骨修復(fù)支架

在骨修復(fù)支架研究方向，部分學(xué)者將PCL與無(wú)材料結(jié)合打印復(fù)合支架，常見(jiàn)添加材料包括HA、TCP、生物玻璃、金屬離子等，研究結(jié)果證明這些材料的加入能有效促進(jìn)骨再生。韓國(guó)成均館大學(xué)的GeunHyung Kim團(tuán)隊(duì)通過(guò)將PCL與生物玻璃BGS-7結(jié)合，通過(guò)高溫熔融打印技術(shù)構(gòu)建骨修復(fù)支架。力學(xué)測(cè)試結(jié)果證明支架的韌性明顯強(qiáng)于單純生物玻璃支架，且復(fù)合支架的親水性、蛋白吸收等作用增強(qiáng)，細(xì)胞增殖和成骨活性顯著增加。

Kim,Y., Young Lim, et al. “3D-printedPCL/bioglass (BGS-7) composite scaffolds with high toughness and cell-responsesfor bone tissue regeneration.”Journal of Industrial and Engineering Chemistry 79（2019）：163-171.

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院的鄧廉夫教授團(tuán)隊(duì)于Biomaterials發(fā)表文章，通過(guò)高溫熔融打印技術(shù)構(gòu)建了負(fù)載去鐵胺（DFO）的PCL骨修復(fù)支架。體內(nèi)外研究表明構(gòu)建的生物3D打印支架具有優(yōu)異的血管化和成骨活性，能夠快速的促進(jìn)大鼠股骨遠(yuǎn)端巨大骨缺損的修復(fù)。同時(shí)，該研究設(shè)計(jì)通過(guò)靶向調(diào)控HIF-1α信號(hào)通路，實(shí)現(xiàn)了3D打印支架能夠模擬并促進(jìn)生理狀態(tài)下骨修復(fù)重建過(guò)程中血管化的關(guān)鍵步驟，為功能化3D打印支架的構(gòu)建提供了新的思路和轉(zhuǎn)化前景。

Yan, Y., Chen, H., et al. “Vascularized 3D printedscaffolds for promoting boneregeneration.”Biomaterials（2019）：97-110.

心臟瓣膜

患有主動(dòng)脈心臟瓣膜疾病的患者只能進(jìn)行瓣膜替換手術(shù)，目前這種手術(shù)缺乏生長(zhǎng)和重建的能力，對(duì)于兒童患者，他們需要一個(gè)能夠生長(zhǎng)并且尺寸更小的瓣膜。美國(guó)佐治亞理工大學(xué)的Michael E. Davis團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章于Biomaterials,利用生物3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)一種仿生心臟瓣膜支架，首先利用高溫生物打印技術(shù)沿圓周方向打印PCL，用于模擬瓣膜纖維層，之后制備含有細(xì)胞、GelMA、PEGDA的水凝膠支架，將兩者復(fù)合。在靜態(tài)條件下，多層支架可以增加I型膠原的產(chǎn)生；將該支架安裝在瓣膜環(huán)上，在主動(dòng)脈瓣生理狀態(tài)下，支架可生成具有結(jié)構(gòu)代表性的瓣葉，且瓣葉的PCL層可以維持正常的瓣膜功能。

Nachlas, A. L. Y., et al. “A multilayered valveleaflet promotes cell-laden collagen type I production and aortic valvehemodynamics. ”Biomaterials（2019）：119838.