清华大学《iLIVER》：肝脏组织工程的生物3D打印和生物材料的创新

来源：生物3D打印机

近日，清华大学临床医学院附属北京长庚医院肝胰胆中心在《iLIVER》上发表了《Innovations in 3D bioprinting and biomaterials for liver tissue engineering: Paving the way for tissue-engineered liver》。点击获取原文PDF

肝脏作为人体最大的内脏器官，在诸多生理过程中扮演着关键角色，包括胆汁分泌、糖原储存、宏量营养素代谢（如蛋白质、脂质和碳水化合物）等。此外，肝脏还参与解毒、造血和凝血等多种生理过程，是身体功能的重要调节器官。

肝组织工程 （LTE） 用于构建体外仿生肝脏模型，可作为疾病研究、药物筛选和细胞替代疗法的平台。相较于传统制造方法，生物3D打印能够精确输送和沉积生物墨水，促进细胞在复杂的3D环境中重新组织，模拟自然组织结构。

生物材料

生物3D打印用于组织工程，以创建微环境，通过功能性生物材料模仿真实组织。理想的功能性生物材料具有高生物相容性、机械强度、柔韧性、可加工性和可调降解性等特性。生物材料可分为天然生物材料和合成生物材料。

天然生物材料通常水溶性，对于LTE应用具有有利特性，如提高与细胞相容性、易操作和可重塑性。然而，它们也存在一些缺点，如机械性能降低、可用性有限和降解速率不一致。为了弥补这些缺陷，合成生物材料应运而生，具有高机械强度、柔韧性、可加工性和可降解性等特征。

然而，与天然生物材料相比，合成生物材料缺乏细胞识别和粘附位点，导致生物相容性相对较低。每种材料都有自己的优点和局限性，组合之后的材料是3D生物打印材料的主要来源。

值得注意的是，肝脏的ECM由体内各种组织和细胞合成和分泌的大分子的复杂网络组成。它主要由蛋白质成分和糖蛋白组成。天然生物材料为肝脏ECM的重建提供了机会。用于构建肝细胞微环境的生物材料的另一个常见选择是肝脏脱细胞细胞外基质，它直接来自动物来源。由于脱细胞生物基质的跨物种耐受性，这种生物材料受到青睐，可有效降低免疫排斥的风险。

生物材料的交联

生物材料溶液通常通过交联转化为 3D 结构，会影响打印结构在生物环境中的机械强度、物理化学性质和行为。根据生物材料主链和官能团的性质，交联方法可分为几类，包括物理反应、化学反应、酶促反应及其组合。物理交联方法包括离子相互作用和静电相互作用，化学交联方法包括光交联和温控交联。交联对于建立结构理想和生物力学稳定的组织模型至关重要，必须在交联方法、交联尺度和可印刷性之间取得平衡。

物理交联

离子相互作用：通过离子相互作用交联是将水凝胶转化为 3D 结构的最常见方法之一，因为多价阳离子诱导的凝胶化可以在适合细胞存活的温度和 pH 环境中完成。值得注意的是，海藻酸盐进行离子介导交联的难易程度与海藻酸盐基生物材料的广泛使用交织在一起。

静电相互作用：生物材料可以通过静电相互作用进行自交联，从而提供了一种规避上述与金属阳离子相关的问题的方法，这些问题可能会破坏细胞培养微环境。在这种交联方法中，两种带相反电荷的生物材料组合使用（例如，带正电荷的明胶或壳聚糖和带负电荷的海藻酸盐或κ-角叉菜胶），并且通过静电相互作用网络将生物墨水糊化。然而，这种方法可能导致异步交联时间以及不均匀区域。

化学交联

光交联：光交联是3D生物打印中一种重要的交联方法，因为它具有简单性、成本效益和可远程控制性。光交联通常是通过在光引发剂存在下用从紫外光到可见光的光辐射照射样品来实现的。虽然紫外线光源很容易获得，但紫外线是电离的，因此对生物样品有害。因此，应仔细考虑紫外线照射时间和强度等因素。与海藻酸盐通过离子相互作用交联的敏感性类似，GelMA是3D生物打印中最容易光聚合的生物材料。在LTE中，GelMA在紫外光下已交联，用于各种应用，从独立的GelMA使用到与海藻酸盐的结合。组织工程中使用的其他光交联方法包括硫烯偶联和可见光交联。

温控交联：温控交联是最简单的交联方法之一，但由于对生物活性的严格温度要求（通常为37°C或以下），其在LTE中的应用受到一定限制。

酶促反应

酶被认为是交联生物墨水的重要试剂，因为它们在温和的反应条件下具有活性，并且对细胞微环境的影响最小。在LTE中，基于酶的交联通常被用作进一步增强结构刚性的辅助方法。

真正重现肝组织微环境是LTE的最终目标。然而，考虑到组织工程的现状和生物材料的进步，实现这一目标还有相当长的路要走。目前，天然和合成生物材料在LTE中都有广泛的应用。虽然每种类型的生物材料都有其独特的潜力和优势，但仅靠单一材料通常无法满足组织工程任务的要求。

肝脏dECM被认为是最接近复制天然ECM的生物材料，然而，由于免疫原性和低机械强度等因素，其适用性受到限制。多组分生物墨水的发展有望规避单组分水凝胶生物墨水的限制，未来的方向应推动基于dECM的多组分生物墨水，结合天然和合成材料，更准确地概括肝组织模型的结构和组成。

在交联方面，它不仅影响生物墨水的印刷适性和化学性能，还影响组织工程结构的机械强度和生物微环境。交联程度和所需结构之间存在微妙的平衡，因此，根据目标结构优化交联方法和程度至关重要。

随着技术进步，有望为克服LTE的挑战提供新的视角，为实现肝组织模型在药物检测、疾病探索和替代疗法中的应用提供有价值的参考，最终为LTE的发展做出贡献。