英国3D生物打印器官研究获得突破性进展

3D生物打印（3D-Bioprinting）是一个令人兴奋的新技术，该技术可能有一天会实现可移植人体器官的定制化。日前，英国斯旺西（Swansea）大学医学院的一组科学家正在研究新一代3D生物打印技术的设计和开发，以及使用生物方法制造活组织。
随着研究进展，科学家们认为，3D生物打印技术很有希望用来制造活体结构以替代人体受损的或患病的组织。据天工社了解，当前，研究人员们正在着力解决因关节炎产的膝关节或髋关节的组织损伤和因癌症造成的腹部、气管及乳房的切除而进行组织置换问题。
该研究小组正在开发制造活体组织结构的机器——3D生物打印机，目前已经开发的最新版本被称为3Dynamic组织工程工作站（3Dynamic Tissue Engineering Workstation），这台3D生物打印机使得3D生物打印这种复杂的工艺变得更加准确、可靠和经济。斯旺西大学医学院的Daniel Thomas博士在介绍这台机器时说。
“3D生物打印技术已经发展到可以在更广泛的范围内用于大学的实验和临床应用的水平。短期内，这种技术就可能得到更多的应用，并且会更有效推动再生医学领域的研究和创新。”

斯旺西大学的实验性3Dynamic组织工程工作站，其被用于生产以软骨细胞为基础的组织，例如脊椎动物气管部分。

这项研究是从两年前开始的，当时因为缺少可以3D打印软组织的设备，所以斯旺西的研究团队根据材料的特点专门设计了一款机器。天工社发现，这台机器专门使用软骨细胞做为原料，制造并并维持一些身体组织中的软骨基质。这些细胞可以被生物打印成3D生物体系结构，比如气管的形状。这台机器的精度已经达到了可重复制造复杂的生物结构的水平。
研究团队目前正在此基础上继续进行技术改进，包括开发3D生物打印硬件、固件和软件。这些改进将直接来源于对传统3D打印工艺的创新。研究团队将技术开发与科学研究相结合，致力于解决细胞自我组织、发育生物学和组织成熟过程等方面，其最终目标是制造复杂的生命结构。

3D生物打印使用软骨细胞、藻酸盐、透明质酸、转化生长因子SS1、抗生素和明胶等物质的混合物产生多相组织；以形成可打印的生物活性凝胶，这种凝胶可长成组织。

研究人员目前已经开始将这项技术用于膝关节修复。当下对于关节炎造成关节软骨磨损的患者最好的治疗方案就是进行关节置换手术，为其安装一个人工关节。这是一个痛苦的过程，而且并不一定是永久有效的。利用3D生物打印进行组织修补，可先制备，然后再移植，从根本上而允许膝关节软骨修复。2010年，全球膝关节置换市场价值为69亿美元，而且随着人类老龄化的到来，到2017年预计将增长至110亿美元。
与传统的3D打印技术相比，斯旺西大学的团队更着重于发展全数字化的设备，以便于更有效地沉积复杂的生物基液体。“3D生物打印本质上是通过传统的逐层自动化增材沉积技术来制作三维的功能性活体组织的过程。” Daniel说。“这个过程必须由计算机数字控制，以确保做为构建材料的生物活性凝胶的精确沉积，同时还需要考虑到细胞的自组织属性，以便产生可测量的、系统性的、具备代谢能力和功能特性的活体功能组织。”

利用3D生物打印制成的准组织，经过两天的成熟后会变成以软骨细胞为基础的组织。

该研究团队使用的3D生物打印技术的工作原理是首先在注射器型沉积系统中装入含有每毫升2至2000万个软骨细胞并混合以藻酸盐、透明质酸、生长因子β1，抗生素和明胶的生物活性凝胶。打印机的控制软件是基于Pronterface架构设计的，可以通过驱动步进电机精确定位打印头在XYZ坐标系统中的位置。这使得制造组织时的精度能达到±5μm，就像常规的3D打印系统。

3D生物打印还可以用来制造血管组织，当然这需要同时打印相应的支架，以确保在制造过程中血管结构得到支撑。上图就是研究人员打印的一个比较大的动脉的结构，还属于准组织。

打印好的准组织被转移到一个37.8℃反应器中，每两天更换一次生长因子，然后细胞开始在三周内生长和成熟为一个组织。这其中的关键点是：在成熟过程中需要添加0.1％的透明质酸到生物凝胶中去，以限制蛋白聚糖的流失。Daniel解释说：“这个很重要，因为蛋白聚糖是细胞外基质的关键组成部分。它是组织中细胞之间的填充物质，起到对周围组织进行结构和生化支撑的作用，没有它则组织无法正确形成。”

使用3D生物打印工艺制造的颚、耳结构和简化的骨小梁几何结构。

通过改变沉积速度，就可以改变每层的分辨率。其他的方法也包括使用多种生物材料打印三维生物支架。各种以水凝胶为基础的材料可用于制造支架，比如血纤维蛋白、聚（丙交酯 - 共 - 乙交酯）（它是多孔的），还有琼脂糖和藻酸盐等。这是制造可置换动脉的一种方法。这项技术的挑战是要充分理解用于制造活性组织的三维细胞结构和适当的支架材料之间的相互作用关系。为了克服这些局限性，研究团队正在开发新的方法来把细胞和支架精确地堆叠在一起。
从长远来看，这项研究的最终目的是把3D生物打印变成一种制造工艺，以用于生产多种类型的组织，这些组织可作为手术修复材料或在短期内对药物作用进行检测。据天工社了解，研究团队下一步的工程将是使不同类型的细胞——包括间质干细胞、心肌细胞、祖细胞、成骨细胞和骨细胞——同时沉积以产生更为复杂的组织，甚至器官。Daniel解释说：“不同的干细胞材料可以产生复杂的组织，可以用于比如说腹部或乳房重建等应用。为了继续深入这个课题，我们目前正在研究耳朵部件的制造工艺，比如耳蜗，这是人耳结构最重要的部分。”
在这个领域的进一步发展，也可能导致未来对手术中病人的直接进行3D生物打印，将相应的组织或器官直接打印到患者体内。这将意味着未来的临床手术将发生革命性的变化。