一文看懂生物3D打印技术如何构建强度高、生物相容性好的组织支架

来源：上普生物

导读：生物3D打印领域不断发展，人们已经不满足于单纯基于水凝胶类材料的组织构建。高温熔融生物打印技术的出现让我们对高强度、生物相容性好的组织器官打印提供了更多的可能性。本文带您深入浅出的看懂这种技术和未来的发展空间。

生物3D打印的进展
生物3D打印技术以细胞、蛋白质、生物材料等作为构造单元，构建生物学模型、生命系统和治疗产品。由于其可量身定制性，结构和孔隙可控性以及可复合多种材料等特性受到了研究人员的广泛关注，是目前最具潜力实现人体组织及器官打印的技术。

2019年，生物3D打印技术全方位爆发，如美国莱斯大学发表了生物3D打印的第一篇Science，利用高精度的光刻技术提供了复杂的血管化网络结构的构建方法，该方法使得复杂组织器官的构建成为可能。卡耐基梅隆大学去年同样在Science发表文章，利用悬浮胶作为打印支撑体，高精度的打印了心脏瓣膜及心脏等复杂结构，打印的心室具有同步收缩。
当前技术的局限性
虽然行业发展迅速，但当前的技术还有诸多的局限性：

首先，人体的骨骼、关节、肌肉等对生物力学有较高要求的组织，单纯使用水凝胶材料显然不能满足科研人员的需求。
其次，高分子材料可以使用FDM技术（Fused Deposition Modeling，熔融沉积）这一常见的3D打印技术构建。然而，FDM打印工艺在生物医学的应用上有如下几个问题：

• 难以保证洁净度
• 工艺常用的的线型材料往往不是医用级，无法进行可植入性实验
• 无法添加辅助材料，以调节支架性能
• 基于FDM工艺的3D打印机无法实现高分子材料与水凝胶类材料复合打印。
  

高温熔融复合打印技术
今天带领大家了解一下高温熔融复合打印技术，该技术是基于传统FDM技术衍生出的可以应用于生物3D打印的工艺技术。高温熔融复合打印技术将颗粒状或其他形态的医用级生物高分子材料进行高温熔融，喷头按照设计轨迹运动，同时将熔化的材料挤出并迅速冷却成型，通过材料逐层推挤形成最终的成品。这样的技术使得打印材料可以不局限于一种，而是可以混合多种材料，以调节支架的力学性能，并且利用多材料生物打印技术，可以实现高分子材料与水凝胶类材料复合打印

目前在高温熔融复合打印技术中常用的生物高分子材料包括聚己内酯（PCL）、聚乳酸（PLA）、聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）等，其中PCL具有低熔点、可降解、生物相通性好等特点，同时也已获得FDA批准，是生物3D打印支架的理想材料。

应用案例
高温熔融复合打印技术让更多样的组织器官构建成为了可能，下面我们来分享其中几篇典型案例：

外耳组织
美国维克森林大学医学院Anthony Atala研究团队在Nature Biotechnology发表文章，利用多喷头生物3D打印系统，分别将含细胞水凝胶、PCL、Pluronic F-127（牺牲材料）加载至包含高温喷头的不同打印喷头，通过模型处理软件设计各喷头打印路径，支架打印完成后在低温条件下去除支架中的Pluronic F-127，最终形成的支架在满足力学强度的同时也能提供细胞所需的养分、氧气输送的微通道。研究人员将该支架皮下植入小鼠体内，2个月后支架依旧保持原有结构，且已经形成软骨组织和血管系统，这一结果表明，该打印方案通过结合生物学原理融入微通道，能够为细胞提供各必需营养物质，支持细胞和组织的生长和功能。

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.

肌肉组织
不仅是耳朵，Anthony Atala团队同时用肌纤维母细胞、PCL以及F127材料组合，利用高温打印和水凝胶打印的多喷头生物打印技术，构建出肌肉组织。通过体外实验及内皮细胞标记物的表达和肌电图，结果表明细胞在打印后第三天开始沿着PCL纵轴进行伸展，并具有较高的活性，7天后观察到排列整齐的肌管纤维结构。体内植入结果显示，整个支架的血管化和肌肉结构对电刺激的反应在某种程度上与发育中的肌肉相一致，证明构建的组织、器官都能够在2周内生成血管、神经系统，且其自身形状不发生改变。

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.

骨修复支架
在骨修复支架研究方向，部分学者将PCL与无材料结合打印复合支架，常见添加材料包括HA、TCP、生物玻璃、金属离子等，研究结果证明这些材料的加入能有效促进骨再生。韩国成均馆大学的GeunHyung Kim团队通过将PCL与生物玻璃BGS-7结合，通过高温熔融打印技术构建骨修复支架。力学测试结果证明支架的韧性明显强于单纯生物玻璃支架，且复合支架的亲水性、蛋白吸收等作用增强，细胞增殖和成骨活性显著增加。

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.

上海交通大学医学院的邓廉夫教授团队于Biomaterials发表文章，通过高温熔融打印技术构建了负载去铁胺（DFO）的PCL骨修复支架。体内外研究表明构建的生物3D打印支架具有优异的血管化和成骨活性，能够快速的促进大鼠股骨远端巨大骨缺损的修复。同时，该研究设计通过靶向调控HIF-1α信号通路，实现了3D打印支架能够模拟并促进生理状态下骨修复重建过程中血管化的关键步骤，为功能化3D打印支架的构建提供了新的思路和转化前景。

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

心脏瓣膜
患有主动脉心脏瓣膜疾病的患者只能进行瓣膜替换手术，目前这种手术缺乏生长和重建的能力，对于儿童患者，他们需要一个能够生长并且尺寸更小的瓣膜。美国佐治亚理工大学的Michael E. Davis团队发表文章于Biomaterials,利用生物3D打印技术设计一种仿生心脏瓣膜支架，首先利用高温生物打印技术沿圆周方向打印PCL，用于模拟瓣膜纤维层，之后制备含有细胞、GelMA、PEGDA的水凝胶支架，将两者复合。在静态条件下，多层支架可以增加I型胶原的产生；将该支架安装在瓣膜环上，在主动脉瓣生理状态下，支架可生成具有结构代表性的瓣叶，且瓣叶的PCL层可以维持正常的瓣膜功能。

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

上普高温喷头系统

上普生物
上普成立于2014年，是一家世界领先的高科技公司，专门从事3D生物打印和制造先进生物打印产品。基于20多年的研发及经验及公司专利技术，SunP致力于研发创新的3D生物打印系统，新型生物墨水和先进的3D细胞模型并应用于个性化组织工程和癌症治疗，医疗器械，药物测试和新药研发。如果您对产品感兴趣，请联系（王女士，18511003831）或是发邮件给（info-china@sunpbiotech.cn），期待与您合作。