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浅析3D打印技术许下的诺言

导读: 要知道,生物打印的潜力还不只是身体部位对等器官的替换。奥日博尔特正在展望使用新型组织赋予人体新功能的前景。

OFweek3D打印网讯 那些满腹细胞油墨的机器们正以逐层打印的方式构建着组织和器官。

30多岁的人如果患有膝关节疾病,大概不会考虑通过外科手术来修复。但是再经过几十年的生活不便以及关节炎的折磨,他们就不得不接受外科治疗了。在那里,他们也许会发现一台3D打印机正在准备帮助他们制造出置于体内的新骨骼和软骨。这正是宾夕法尼亚州立大学帕克校区的生物工程师易卜拉欣?奥日博尔特(Ibrahim Ozbnlat)想要看到的,目前他正在开发一种3D生物打印技术来修复软骨等组织。他设想一台机器可以将层层堆叠、满载细胞的生物相容性材料放置于病灶中。奥日博尔特说:“在未来,或许可以让病人躺在生物打印机下接受治疗,”而且他的愿景并不局限于膝盖,“不论是身体的哪一部分需要修复,生物打印机都可以做到。”

许多人都与奥日博尔特的目标一样,希望利用那些精心设计的模型生产出可以修复或替代身体损坏部分的活性组织。除了骨骼和软骨以外,研究者正在尝试通过在体外打印出皮肤、包括视网膜在内的神经系统组织以及肾脏、心脏等器官,并将它们移植入患者体内,但是即使简单的结构应用于临床实践也需要10年甚至更久。在制造出肾脏等复杂器官之前,研究者需要提炼材料、改良植入技术和提升创造更多复杂结构(比如血管)的能力。如果3D打印能够制造出那些具有一定市场需求的组织,它就能对再生医学产生颠覆性影响:生产出唾手可得的移植器官和组织,从而让需要接受移植的患者从等待名单中去除。

宾夕法尼亚州立大学帕克校区的一台3D打印机正在对一个组织模型进行生物打印

一个工程学奇迹

在工程学领域,“3D打印”是一个覆盖面很广的术语,它泛指那些通过逐层挤出沉积材料构建出任何设计物体的一系列技术。在计算机模式下,3D打印机能制造出其他传统方法无能为力的物体。例如,无法通过一般工具勾勒的内部轮廓。目前这项技术在快速建模领域得到了广泛开展,未来它还要涉足从医用器材到航天航空业的各种制造环节。

在生物学领域,3D打印被称为3D生物打印,它使用了许多相同的技术,只是变成了处理通常被充填于水凝胶内的活细胞。水凝胶是一种柔软的胶样聚合物,可以贮藏大量水分,但它又因为极富黏性而可以塑形(至少可以维持一段时间)。细胞也可以悬浮在溶液中,就像打印机墨水中的色素颗粒一样。生物墨水通过墨汁喷嘴喷射出来或者挤压到一个基板上,并因温度和压力的变化、添加化学物质或一个波长的光而固化。一旦确切的结构呈现出来,我们就可以加入营养物质和生长因子来促使细胞发育成目标组织。

研究人员正在测试打印各种组织类型的技术组合。为什么呢?举个例子,骨骼在充满细胞的水凝胶支架中生长得最好,这种支架结构引导细胞生长并给予细胞生长方向的线索。但是奥日博尔特说,软骨在自由生长的情况下长势最好,该生长方式与软骨在胚胎体内的发育方式相同,支架会抑制其生长发育,处于一块水凝胶中的软骨细胞不能与存在于另外一块胶中的细胞进行很好的信息交换,因此不能发出使它们同步生长并融合为一块更大组织的信号。

奥日博尔特已经利用褐藻胶(一种海藻提取物)开发出一种全新的生物墨汁。他通过逐层挤出沉积材料,挤出了数条含有软骨细胞的墨汁薄层,而这些墨汁薄层同步生长并形成了一块大的组织。他希望通过这种技术利用胰腺细胞打印出胰岛——胰腺中一种可以合成胰岛素的部分——并移植入I型糖尿病患者体内。他开发的这项技术已经在活体动物实验中取得成功:通过向生物墨汁中加入胶原蛋白,他可以在颅骨受到损伤的大鼠伤口上搭建起新的骨骼和皮肤。

达里尔?利马(Darryl D'Lima)是加利福尼亚州圣地亚哥市斯克里普斯诊所矫形外科研究所的主任,他说,通过生物打印技术生产出的软骨优于供者组织以及用于膝关节置换的塑料和钛合金。虽然利用塑料和金属制成的置换关节可以维持20年,但他们并不像活体组织那样富有弹性。“金属、塑料和胶接材料仅仅在被植入的时候是最坚固的,”利马说,“此后,它们只能变得越来越脆弱。”而生物打印出的软骨相较于供者组织的移植物更加结实。生物打印不仅可以根据实际损伤的形状对组织进行量身定做,避免切除周围的健康组织,而且生物墨水还可以填充到手术无法解决的微小裂隙中,从而使组织整体变得更坚固,这一点没有任何一种手术可以做到。不过他承认这在目前只是一种设想,因为该技术还没有准备好去参与对照临床试验。虽然包括利马在内的研究人员正在用实验动物来检验该技术制造出的产品,但是到目前为止还没有证明其优于传统移植物的报告。

耳形软骨是首批用于临床的生物打印组织之一

利马一直在研究3D打印在眼科治疗中的应用,目的是治疗由视网膜老化造成的失明。利马和加利福尼亚州斯坦福大学眼科医生杰弗里?戈尔德贝格(Jeffrey Gddberg)一起将视网膜神经节细胞打印到支架上并观察他们是否能长成视网膜。由于神经节细胞是神经元,它们需要在某个特定的方向上生长。“我们想让这些神经元轴突朝着一个特定方向生长,因为我们想引导他们达到正确的目标。”戈尔德贝格说。神经细胞轴突需要沿着视神经生长的特定路径将视网膜与大脑相连。利马和戈尔德贝格成功地制造出一种模拟神经纤维在眼内走向的辐射式支架,然后他们将细胞沿着支架的路径走向打印出来。富含层粘连蛋白(一种纤维蛋白)且含有一些褐藻胶的水凝胶可以使视网膜细胞更好地被锚定在支架原位,以便天然的信号传导机制促进它们向正确的方向生长。在研究人员研制的这种辐射式支架结构中有72%的神经轴突是沿着预定方向生长的,而在二维的培养板上培养细胞只有11%的成功率。

用生物打印技术生长的视网膜的一大优势是它的特异性。视网膜包括两种光感受器:视杆细胞和视锥细胞。视杆细胞主要集中于视网膜的边缘,而视锥细胞主要集中于视网膜中央。生物打印技术能够精准控制这些细胞的位置。戈尔德贝格说:“你用任何其他技术根本做不到这一点。”但他还补充道,实现生物打印角膜的移植大概还需要几年的时间,一个重要的挑战是神经细胞比软骨细胞等排列得更加致密,而研究人员还不确定如何实现这种密度。

在该领域还有另外一个研究方向,那就是寻找最好的生物墨汁。不同的材料各有其独特的性质,这些性质会影响到这些墨汁的使用、塑形的效果以及对细胞生长的促进作用。理想的墨汁应该保持液态,这样它才可以更好地散布开来,但它又能在不使用可能危害细胞生长的化学物质或重剂量的辐射情况下,迅速变成一种较为坚固的凝胶状结构。“纵观生物打印技术,你就会发现当前该领域的短板就在于很难获取到合适的生物墨水。”英国布里斯托大学大学化学家亚当?佩里曼(Adam Perriman)说。佩里曼发明了一种新型生物墨汁,它是水凝胶Pluronic(有机共聚物泊洛沙姆的一种混合物)和褐藻胶的一种混合物,这种混合物使他能够精确调控胶凝时间——虽然Pluronic结构可以很好地保持形状不变,但是它会随着温度的变化融化掉,而褐藻胶胶凝速度又太快了,二者单独都不能满足要求。佩里曼利用这种混合墨汁打印出任何一种他想要的形状,一旦固化,Pluronic就可以被洗掉,而这些被洗掉的凝胶通过一张微孔网过滤出去,从而有利于打印组织汲取养分。

另外,来自韩国庆尚北道浦项工科大学的机械工程师赵冬雨(Dong-Woo Cho)正在研究用细胞外基质制造生物墨汁。他提取出心脏组织、软骨或脂肪并去除所有细胞,只留下胞外基质,基质内包括胶原蛋白、黏多糖等原材料。他将这些材料磨碎,并将其与醋酸和氢氧化钠混合制成以丝状物形式挤出的墨汁,当这种墨汁加热到体温的温度后会产生胶凝现象。他认为,由于该墨汁来自于细胞赖以生存的基质,它能为细胞的生长繁殖提供更自然的环境,并且比用非体内常见物质制成的墨汁更具生物相容性。目前他正在使用该墨汁开发一种修复心脏损伤的补丁。

美国北卡罗来纳州温斯顿塞勒姆市维克森林大学再生医学研究所主任安东尼?阿塔拉(Anthony Atala)认为,一些较为简单的3D打印组织将在未来几年应用于临床。第一种可以使用的组织很可能是软骨——它的结构相对扁平,只包含几种细胞并且不需要血供。阿塔拉已经成功打印出软骨和骨骼,并将它们移植入小鼠体内。至于人类,在软骨之后投入应用的是诸如动脉和尿道等空心管状组织,然后是膀胱等空心器官组织。“当然,所有的组织都很复杂,但是至少还有一些相对简单的扁平结构供我们选择,例如皮肤。”阿塔拉说。

然而,实体器官会有几十种以上的细胞类型,而且还需要血管系统为这些细胞提供养分。直径大于200微米的细胞(相当于几根人类头发丝的宽度)在离开营养源的条件下将会迅速死亡。因此研究人员想要成功地打印出实体器官,创建出真实的血管系统是一个必要环节。

哈佛大学的一个研究团队已经迈出了解决上述问题的第一步,他们用基本的血管系统打印出一块厚组织并使其存活了数周。该团队使用了三种不同的墨汁:第一种是硅有机树脂,用于塑形;第二种是混合了多能干细胞的生物墨汁,用于形成组织;第三种是普卢兰尼克,当它处于室温时,是一种胶体,但是冷却后就变为液体。研究人员打印出这种组织,并用普卢兰尼克制成许多贯穿组织的脉管,打印成功之后,整个组织将冷却至4℃,继而普卢兰尼克变为液态流出并形成数条组织内营养物质流动的脉管。

通过这个过程,哈佛研究团队打印出了1厘米厚的组织并使它保持了超过6周的生物活性。这对于用来建立磷酸钙底膜(骨组织在其上可以生长)的干细胞来说是一个相当长的存活时间。“这条研制道路没有终点,我们要打印出更厚的组织。”生物工程师兼团队领导人珍妮弗?刘易斯(Jennifer Lewis)说。在本次研究中所使用的血管系统并不成熟,只是连续几层组织中纵横交错的管道。她说,真实的器官需要更复杂的静脉和粗细不同的毛细血管。

要知道,生物打印的潜力还不只是身体部位对等器官的替换。奥日博尔特正在展望使用新型组织赋予人体新功能的前景。例如,他的实验室已经初步涉足这一领域,旨在制造出一种器官使体内的化学能转化为电能——这是电鳗的特异功能。这样一来人类可以自带内置的、可反复充电的电池驱动从起搏器到假肢的各种体内装置。当然,即使打印技术无法赋予人类这些超人一般的能力,这项新技术还是会翻开医学史的新篇章。如果生物打印技术可以生产出无限量的可替代组织器官,那么会有多少生命被拯救,又会有多少人的身体将会被改善呢?

原文作者尼尔·萨维奇(Neil Savage)是来自马萨诸塞州洛厄尔市的一名科技文章自由撰稿作家。

马晋平/编译 世界科学(World-Science)

责任编辑:zhouyi
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