生物3D打印入门概述

3D打印快讯
2020
05/21
14:56
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来源:EngineeringForLife


生物3D打印是目前正在兴起的研究领域,狭义上的生物3D打印可以理解为操纵细胞进行体外三维活性结构的组装,生物3D打印已经在药理模型、器官缺损修复、细胞三维培养等方面取得了诸多进展。从这一期开始,EFL团队将在Bio-Design and Manufacturing杂志上以短文形式开设科普专栏,力求简明扼要的阐述生物3D打印的各个层面(生物3D打印工艺、生物墨水设计、生物3D打印机、体外病理模型构建,组织再造等)内涵及研究内容。本文是第一期,生物3D打印简要概述。

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1 生物3D打印概念

从广义上说服务于生物医疗领域的3D打印(增材制造)就是生物3D打印。严格一些,狭义上说生物3D打印特指操纵活细胞打印活性三维结构的过程,也就是所谓的载细胞打印,也可称为细胞打印,或器官打印。注意这里的细胞打印不是打印出新的细胞,而是指将细胞作为打印原料。


由于单纯的细胞无法打印构成结构,我们将细胞与水凝胶混合构成所谓的生物墨水,用生物墨水打印活性结构。这里水凝胶的作用有两个:作为打印时的黏合剂实现3D成形,打印后固定细胞位置并为细胞提供类体内的3D环境也就是起细胞外基质(ECM)作用。


2 生物3D打印研究啥呢?

(1)研究成形过程:不同组织内有不同的细胞种类,同时细胞在空间上也存在不同密度的分布,而生物墨水是一种典型的软材料,感觉上接近可以吸的液态果冻,因而设计合适的打印方法实现细胞在三维空间上的精准排布还是很有挑战性的;


(2)研究活性结构到功能性组织/器官的实现过程:刚打印出来的活性结构类似于镶嵌的一颗颗水果丁的果冻,细胞就好比那水果丁,而水凝胶就是那包裹水果丁的果冻了。而我们真正的组织内部细胞是彼此连接,能互相沟通及协作的,故而打印出结构后,还需要经历一个二次发育的过程,通过这个过程细胞建立起联系,慢慢拥有体内组织的部分乃至全部的功能。


这两个内容都是非常复杂,很多工作才刚刚展开,如果说第一个成形的工作已经取得了些进展的话,那么第二个功能化的工作才刚刚开始,任重道远,万里长征,我们才刚刚开始走。


作为一个典型的多学科交叉研究内容,有太多的问题有待解决,个人想到的点有:


  • 细胞来源上,安全,批量,安全;
  • 体外器官模型(类器官)可重复性及标准化;
  • 大尺寸器官体外重建及长时间体外培养;
  • 含外源性细胞打印组织植入的系列伦理性问题;
  • 体外打印组织和体内再生的边界;
  • Printing@clinic?
  • 体外能再造出有思考能力的大脑吗?
  • 活性的生物打印结构能成为临床产品吗?
  • 器官修复中那些留给体外打印,那些留给体内再生呢?


3 生物3D打印应用

两大需求驱动生物3D打印的快速发展: 其一是体外构建更接近人体组织/器官功能的结构,为各种疾病的精准治疗及器官发育及病变机制研究提供比动物实验更高效的研究手段。当前生物3D打印研究重点是为各种疾病的精准治疗研究提供新的研究手段。目前疾病的机理探讨主要依赖二维的细胞实验及动物实验,二维的细胞实验与人体环境相距甚远,而动物实验除了成本高、周期长、重复性不够理想外,动物的体内环境与人体也有较大的差异。由于3D生物打印可以精确的堆叠各种细胞及支架材料,形成接近实际器官组织的结构(术语成为类器官或迷你组织),同时其细胞也可采用人类的细胞,恰好可以弥补目前常用的两大实验方式的缺点。目前生物3D打印在肿瘤模型、药物代谢所带来的肝脏毒性评估、肠道微环境的构造、心血管疾病病例探讨等领域都有不少报道,生物3D打印技术在疾病的精准治疗中将会有非常广泛的应用,也是目前就可以很快开展的工作。基于生物3D打印为细胞构建更精准的三维环境,制造类器官技术可行,目前也亟需,这个工作除了可供药物评价等外,类器官还可用于器官病变、缺损的治疗。


生物3D打印将会逐步变成组织工程或生物材料研究的一个基本手段,毕竟目前常规细胞二维培养体系(基于培养皿)和体内的三维环境有不小的差别。   


其二是器官的体外再造,以解决器官缺损供体不足的问题。近几年大尺寸器官的体外重建及长期功能化培养将会成为一个研究重点。总的来说器官打印及替换是生物3D打印研究的长期目标,需要我们脚踏实地的一步步逼近。


原文下载:Why choose 3D bioprinting? Part I: a brief introduction of 3D bioprinting for the beginners. Bio-Design and Manufacturing 2019,https://doi.org/10.1007/s42242-019-00053-8

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