3D打印再突破 器官移植指日可待？

GeIMA生物墨水打印的耳朵

GeIMA生物墨水打印的器官

生物3D打印，就如同切土豆的逆过程，即将土豆片、土豆丝、土豆丁及土豆泥反向组装成土豆。然而，组装出的土豆内的细胞虽然有很好的活性，但这样的土豆种到地里却很难直接发芽（打印出的器官与体内器官从功能上来说还有较大的差距），这种“形似而神不似”的问题正是当下生物3D打印面临的瓶颈之一。


据记者了解，要想打印出既在外形结构上相似，结构内的细胞又具有协同功能的组织器官并非易事。这不仅需要开发合适的活性“生物墨水”，还需要一台能够精准操控的3D打印设备。


近日，浙江大学机械工程学院教授贺永带领的课题组发明了一种新型生物3D打印方法，该方法能够操控细胞形成特定结构的微球或微纤维，进而长成具有生物活性的微组织。相关论文先后刊登在SMALL杂志上。


不过，贺永对《中国科学报》记者坦言，很多人认为生物3D打印已经无所不能，甚至觉得很快就可打印心肝肾肺等器官，实现器官移植，然而，事实上生物3D打印还远未达到我们最初器官打印的设想，体外打印能够用于移植的活性器官还有相当长的路要走。目前的生物3D打印，有两个重要应用，其一是构造人体器官模型，从而为疾病机理研究、肿瘤的个性化治疗等提供更为高效的手段；其二是为器官/组织的局部缺损、功能丧失等提供更高效的修复手段。


为体外重建器官提供新思路


生物3D打印也叫细胞打印，是指操纵细胞“生物墨水”构造活性结构的过程，而开发合适的生物墨水一直是生物3D打印中的一个核心问题。


贺永告诉记者，“生物墨水”首先要具备非常好的生物活性、类似体内的细胞外基质环境，便于打印后的细胞进一步发育，并建立细胞彼此间的通信。另外，在打印过程中还要求“生物墨水”必须具有很好的流动性，打印后能很快固化以便于固定成型。


甲基丙烯酸化水凝胶（GelMA）就是一种光敏性生物水凝胶，兼备较强的可加工性和生物相容性，是组织工程、生物医学、生物制造等领域的热门材料。不过，GelMA的固化时间稍长（约3~5秒），同时载细胞的GelMA黏度较低，导致其直接制造难度较大。贺永教授课题组多年从事生物3D打印研究，已成功实现GelMA“生物墨水”及生物3D打印机的产业化。


“如果能高效实现GelMA微纤维的制造，就有望发展出基于微纤维的迷你组织。”受到旋绳效应的启发，贺永课题组开发出了一种同轴生物打印技术。通过该技术，贺永课题组打印出包裹人脐带静脉内皮细胞的直血管和螺旋血管迷你组织，细胞在GelMA里可以增殖伸展并迁移。有趣的是，随着培养时间的加长，内皮细胞还迁移到了GelMA纤维外壁，并建立连接形成类似血管的内皮管腔。


此外，贺永课题组还致力于构建基于微球的迷你组织，他们将不同的细胞制成“生物墨水”，在一个微流控芯片喷头的控制下，一点点“吐”出“墨水”。“在一股微气流的吹动下，喷头吐出的液滴不会马上落下，而是旋转起来，此时再根据数学建模控制不同组分‘生物墨水’下降的方向，就能形成精致的立体结构。”贺永说，“这个过程有点像在转动的蛋糕模具上裱花，让不同细胞形成特定的立体‘编队’。”贺永课题组用两种分别混合了骨髓间充质干细胞和人脐带静脉内皮细胞的“生物墨水”，同步打印出了螺旋形的微球，经过几天实验室培养便形成了骨类器官。不仅如此，他们还在微球内制造出螺旋面、玫瑰花、太极等复杂三维结构。


“这一技术的精度可以达到单细胞分辨率。”贺永说，与现有生物制造方法相比，其特点是实现了在微小空间内三维结构的可控成型，为体外重建类器官、开发更为高效的器官芯片、实施更有效的细胞治疗等，提供有效路径。


主攻解决“神似”问题


目前，生物3D技术已经从传统仅注重结构和形状的制造，拓展到构建体外细胞结构体和生物装置，并应用于再生医学、病理学、药理学和药物检测模型，以及基于细胞和微流体装置的细胞、组织、器官等高级生物和医疗器械产品。


此前在2018中国增材制造大会上，清华大学生物制造中心主任孙伟对《中国科学报》记者表示，细胞打印最关注三个问题：第一能不能打印；第二打印后能不能成型，不能形成孔结构就没有办法把营养液放进去，打印结构内部细胞就会死；第三把细胞活着打印出来之后，细胞能不能具有功能。


“生物3D打印的关键就是要注意选择什么样的喷头、材料、黏稠度，才能使得这个细胞打出来后，至少保证90%以上的成活率。”孙伟说，他们课题组就利用明胶和海藻酸钠组合成“生物墨水”进行打印，这种“生物墨水”具有可以随温度而变化的趋势，能够通过调控温度使得“生物墨水”在打印时延迟性最小。


实际上，清华大学从上世纪90年代末就开始从事生物3D打印的研究，清华大学生物制造中心教授徐弢还将生物3D打印应用在了神经科学领域。在生物3D打印神经鞘管方面，他们团队利用制造学的优势，通过打印微孔多通道结构的神经导管，在早期进行神经生长因子灌注。植入3个月后发现，与未灌注神经生长因子的神经导管相比，灌注有神经生长因子的神经导管具有更好的促进组织再生的能力。


为了使得生物3D 打印的成果更加仿生，徐弢团队还采用了“同轴打印+纳米膜制造神经纤维束”的方法，把神经干细胞做成像线一样的细胞线，线的中心是神经干细胞，周围包裹着的则是神经的支撑细胞，这些细胞不断地产生着营养因子。


“同轴打印的方式，即在中心打印神经干细胞，在周边打印支撑细胞，最终以条索状的形式打印出来，然后将条索包裹起来。”徐弢表示，通过实验发现，这种状态下纤维束细胞的存活率相当高，而且也在一定程度上释放出了神经生长因子。


在贺永看来，生物3D打印的发展就是要解决“形似而神不似”的问题，实现生物3D打印的功能化突破和应用。打印结构后续的功能化是评价打印性能的金标准，也是生物3D打印的最终目的。


解决器官移植仍需时日


贺永告诉记者，细胞被水凝胶包裹的状态，就如同果冻里面有一堆的水果丁，打印过程中，如果机械力、温度等工艺控制不好，都会对细胞造成损伤。不过，目前生物3D打印的工艺已经非常稳定，细胞存活率基本都可以达到90%以上。


不过，他也同时指出，生物3D打印目前还只能打印一些比较简单的组织，比如皮肤、血管等，要想实现打印出的肝脏等复杂器官同样“神似”，实现复杂器官的全功能重建，至少还需要数十年的时间。


北京大学第三医院教授余家阔也表示，虽然2015年3D打印的肾脏组织成功问世，但也仅是供医学研究使用，不能真正应用于器官移植，因为其安全性和实用性还有待探究，3D打印的器官在植入人体前还需经过大量的实验与数据分析。


余家阔认为，3D打印器官存在的困难主要包括打印材料以及细胞太过微小与脆弱，以及植入人体后能否自然衔接融合同时不产生排异反应。他觉得，未来3D打印器官的趋势将是以可吸收性生物材料作为载体、以细胞培养为基础，在体外构成组织保护细胞。对于人体器官也将在研究其营养供应与代谢的基础上，解决经3D打印技术培养出的组织体植入问题。


徐弢则表示，未来生物3D打印技术发展的机会越来越多，只有更多地与医疗、临床和基础科学相结合，才能形成多赢的局面。


来源：网络