生物3D器官打印——人工角膜

​據(jù)世衛(wèi)組織估計(jì)，目前全球有超過1000萬人需要通過手術(shù)來避免因沙眼引起的角膜炎致盲，同時(shí)還有超過490萬人正遭受角膜損傷帶來的失明[1]。盡管有各種渠道的捐獻(xiàn)，角膜數(shù)量的空缺仍在不斷擴(kuò)大。目前，雖然有通過高分子材料制作人工角膜的報(bào)道，但其造成的人體排異反應(yīng)尚未得到很好解決。因此，通過在體外培養(yǎng)角膜內(nèi)皮細(xì)胞獲得人工角膜就成了更為實(shí)際的解決方案。

圖1  世衛(wèi)組織2019年眼部報(bào)告

 

為了得到理想形狀的角膜，Connon課題組將細(xì)胞培養(yǎng)與生物3D打印結(jié)合，嘗試通過3D打印的方式構(gòu)造角膜結(jié)構(gòu)，提高角膜成形精度。
 
因角膜獨(dú)特的穹頂形狀，且對弧面的光滑度要求較高，所以傳統(tǒng)3D打印所使用的柱狀支撐材料難以滿足要求。因此Connon課題組想到使用一個(gè)模具基底，在打印角膜前就固定于打印平臺中，使構(gòu)建的角膜直接成形于弧面基底上。通過有限元法，Connon課題組構(gòu)建了一個(gè)角膜模型，并利用數(shù)字三維建模軟件在一個(gè)方塊基底上“挖去”角膜的形狀，得到目標(biāo)模具基底。

圖2 構(gòu)建模具基底的步驟：A) 置于平面上的人類角膜；B) 用有限元法構(gòu)建角膜模型；C) 填平角膜模型以計(jì)算挖去的體積；D) 構(gòu)建方塊基底；E) 挖去角膜的形狀；F) 實(shí)際得到的基底模具，合適的大小能夠正好被固定于培養(yǎng)皿中。

第二步，Connon課題組在模具基底上打印角膜。為了能夠盡可能地提高打印精度，課題組成員使用了膠原（Collagen）與海藻酸鹽（Alginate）配制而成的低粘度的生物墨水，但隨之而來的難題是低粘度墨水難以堆積形成具有高度的成品。為此，課題組預(yù)先在模具基底上填充了明膠膠漿（Gelatine Slurry），使打印過程實(shí)際在膠漿中完成。打印完成后可以通過簡單的加熱后處理去除明膠，獲得完整的角膜成品。為了能夠使打印過程更為清晰，課題組還在生物墨水中添加了臺盼藍(lán)染色劑。

圖2 打印角膜的過程：A) 在基底模具上填充明膠膠漿（Gelatine Slurry）；B) 實(shí)際打印過程（使用regenHU生物3D打印機(jī)擠出式打印頭完成）；C) 打印后位于基底模具上的角膜；D) 后處理后的角膜（紅圈部分）

在完成角膜打印后，課題組成員也對其進(jìn)行了生物活性測試。通過熒光檢測的方式，計(jì)算得到打印后1天細(xì)胞成活率為92%，7天細(xì)胞成活率為83%。

圖3 打印后細(xì)胞成活率

該文獻(xiàn)的發(fā)表證明了使用低粘度生物墨水完成角膜的3D打印是可行的，結(jié)合體外培養(yǎng)和飛速發(fā)展的醫(yī)學(xué)相關(guān)技術(shù)，相信在不久的將來，3D打印的角膜將逐漸被臨床所接受使用。

[1] World Health Organization. World report on Vision[J]. 2019.

[2] Abigail I, Stephen S, Connon C J. 3D bioprinting of a corneal stroma equivalent[J]. Experimental Eye Research, 2018, 173:188-193.

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