四川大学《Science Advances》：直接在生物体内进行的无创生物打印

来源： 江苏激光产业技术创新战略联盟

导读：3D打印技术在临床医疗上具有十分重要的潜力和应用。目前实现的生物3D打印基本都是体外打印，然后通过手术进行临床植入。所以当今对于体内3D打印作为植入的器件制品还是受到非常大的限制的。实现体内或者受到创伤的部位进行原位打印的案例也未见报道。

在以前都是需要暴露的区域在才能实现打印。这里，来自四川大学的研究学者们报道 了采用近红外光聚合作用为基础的3D打印技术实现了体内组织重建的无创伤3D打印。在这一技术 中，通过一种数字微镜器件将近红外激光调制成定制的模式进行打印，同时通过单体溶液聚合实现空间动态的投影打印。通过在体外的近红外激光辐射，皮下注射的生物墨水可以实现在定制化的组织重建处进行原位无创打印。这一新技术可以不用通过手术植入的过程，一个个性化的耳状组织结构和一个老鼠的载细胞共形支架组织修复的案例采用无创体内生物打印进行了验证。这一工作证明体内创3D打印是可行的。

前几年，四川大学康裕建将3D生物打印血管植入恒河猴体内实验成功的消息引发业内震动。现在，四川大学在生物打印上又取得新进展，开创了体内无创生物打印，这一成果发表在近期出版的顶刊《Sciecne Advances》上。

图1体内无创生物3D打印示意图

体内无创生物打印的基本原理
如图1所示，数字化的个性化的CAD模型首先输送给电脑控制的DMD生物芯片。一个980nm的光板通过光学镜片进行照射，生物墨水上的组织通过一个体内活体组织制造的通道无创的输送到体内。生物墨水包括一个纳米的催化剂实现将近红外激光转换成365nm波长的光，金额热利用这一波长为365纳米的光来进行单体聚合。

众所周知，3D打印是一种先进的制造技术，在医疗行业应用中用于制造个性化和复杂结构方面具有无可比拟的优势。生物打印，即采用含细胞的生物墨水进行3D打印组织和器官还存在一定的障碍，但这一领域的突破在医疗行业具有十分重要的潜在应用，尤其对于组织再生医学意义非常巨大。如今，通常所使用的生物3D打印机主要有喷墨打印、挤压印刷、光辅助印刷以及激光直写等打印技术。在当今，临床3D打印的应用主要是采用手术进行植入使用或者在暴露在外的创伤的位置可以实现原位打印。然而，有很多时候需要尽量减少临床手术和尽量不进行或少进行创伤处理。如在皮肤内部的一个伤害，采用创伤手术会破坏周围的组织，造成二次伤害。如整形手术中，无创的手术是非常重要且是最为理想的。这些重要的临床需求在采用当前的3D打印技术是不能满足应用的。从而促使我们来发展一种无创的体内3D打印技术，从而可以实现无创伤的制造组织全覆盖的生物墨水 打印个性化的产品，包括原位打印活体组织。

采用数字光处理技术(DLP)生物3D打印技术，光辅助印刷技术，在最近受到广泛的关注，这是因为在打印后的细胞活性能力比较高，同时还具有非常高的打印速度和打印分辨率。如今，该技术已经用来进行多组织的重建或修复，如脊髓、外周神经、血管损伤等等。传统上，经常采用紫外或蓝光利用光聚合作用进行生物打印 。然而，采用紫外光或蓝光很难实现无创制造打印，这是因为这两种光均 具有非常差的批复穿透能力。近红外光可以穿透的皮肤比较深并且可以用来控制药物的释放、光动力治疗、活体成像、三维图像可视化、活体光遗传学等。而且，同紫外光或蓝光相类似，近红外光具有潜在的引发光聚合的作用。

近红外光诱导作用可以实现体内制造的转换。近红外诱导的精确控制所实现的光聚合作用可以促使体内组织全覆盖的生物墨水进行无创伤制造，利用这一特性从而可以进行潜在的临床或医疗研究。在这里，通过输入CAD模型，数值化的近红外激光通过连接得到数字化的微镜器件生物芯片不断的产生并且及时预测无创打印，通过注射的生物墨水 层层在空间进行光聚合作用而实现打印。这无需临床手术，可以实现人体个性化的活体组织重建。这一工作为3D打印牙就和医疗领域中的无创上体内打印开创的新的道路。

图2 纳米催化剂的表征

图3 采用DNP技术的在生物体外进行的3D生物打印细胞的重建

图4 在生物体内进行的采用DNP技术的体内3D打印无细胞的重建

图5 采用DNP打印技术进行无损3 D打印 耳状组织

图解：(A) 正常的耳朵的图像. (B) A的镜像. (C) B图优化后的耳朵轮廓). (D)采用DNP技术在不破坏批复的前提下进行耳朵重建后的图像标尺为 2 mm. (E) 体内生物打印后活体/死的耳朵重建后7天观察得到的 图像 ，标尺为2 mm. (F)采用DNP技术进行无损3D生物打印耳朵形状的重建，实验时采用 皮下注射对BALB/c胸腺裸鼠进行打印, 标尺为5 mm. (G) 1个月之后生物打印耳朵形状的重建后的图像，标尺为 5 mm. (H) H&E 和 (I) 胶原蛋白Ⅰ型免疫染色法11月之后的找回结果图，标尺为, 50 μm.

图6v采用DNP技术对肌肉缺陷进行无创伤3D生物打印共形的的ASC-梯形支架

图解：(A)肌肉缺陷修复的共形的的ASC-梯形支架的示意图；(B) DNP打印的受伤区域愈合和可控打印的对比；标尺为5mm； (C) 肌肉受伤区域在10天后的闭合百分比 P< 0.01, n = 5. (D) 治疗后10天对肌肉愈合的H&E 组织学分析结果，标尺为 50 μm.

生物3D打印市场背景：根据世界卫生组织统计，2012年全球心脑血管疾病患病人数已经超过17亿人，占到了全球人口的四分之一。“现在从全球来看，每年至少有一亿人需要这样的技术。”康裕建称，在未来的三到五年内，将会应用于人体。

生物打印的现状：处于研发阶段，盈利尚需时日
医疗也是3D打印应用的一个重要领域。用3D打印人体器官的前景非常令人期待，不过目前基本都在研究阶段，即便向3D打印义齿离大规模应用也还有一段距离。

伦敦机械工程师协会(Institution of Mechanical Engineers)医疗保健主管海伦•米斯(Helen Meese)表示，估计至少要20年时间才能将心脏或肾脏等更复杂的3D打印器官移植到人类病患体内。

以生物3D打印人体组织的领先公司Organovo为例，该公司打印第一个全细胞工程人体动脉，首次将生物打印的组织植入活体（动物）体内，打印出具有全部生物活性和功能的人体肝脏组织，今年9月还推出了3D打印人类肾组织产品，并提供商业服务。

加州大学洛杉矶分校专业从事组织工程和生物打印的生物工程教授Ali Khademhosseini和他的团队开发了一种新的创新技术，用于生物打印模拟复杂血管网和管道的管状结构。这项突破性的研究最近发表在“ 先进材料 ”杂志上，可以用于植入或药物测试的组织生物打印。

参考资料：36氪、anet3d.cn等

文章来源：
Noninvasive in vivo 3D bioprinting，Yuwen Chen, Jiumeng Zhang,Xuan Liu,,Shuai Wang, Jie Tao, Yulan Huang, Wenbi Wu, Yang Li, Kai Zhou,Xiawei Wei, Shaochen Chen, Xiang Li, Xuewen Xu, Ludwig Cardon, Zhiyong Qian,†Maling Gou,Science Advances 03 Jun 2020:Vol. 6, no. 23, eaba7406，DOI: 10.1126/sciadv.aba7406