生物3D打印在组织器官构造和体外组织模型开发的进展

来源： EFL生物3D打印与生物制造

生物打印技术的进步推动了复杂、功能性组织结构的创建，可用于组织工程和再生医学。各种方法，包括挤压、喷射和基于光的生物打印，都有其独特的优点和缺点。多年来，研究人员和行业领导者在增强生物打印技术和材料方面取得了重大进展，从而生产出越来越复杂的组织结构。尽管取得了这些进展，但在实现临床相关的、人体尺度的组织结构方面仍需应对挑战，这对广泛的临床转化构成了障碍。

然而，随着跨学科研究和合作的不断进行，该领域正在迅速发展，并为个性化医疗干预带来了希望。生物打印技术的持续发展和改进有可能满足复杂的医疗需求，从而实现功能性、可移植的组织和器官以及先进的体外组织模型的开发。因此，来自维克森林大学医学院的Anthony Atala团队进一步概述了生物3D打印在组织工程和再生医学中的应用现状和前景。相关论文以“3D Bioprinting for Engineered Tissue Constructs and Patient-Specific Models: Current Progress and Prospects in Clinical Applications”为题于2024年10月18日发表在《Advanced Materials》上。

图1 基于细胞的生物打印的3D打印方法

1.3D打印技术概述

（1）3D打印技术
3D打印主要包括挤出式、喷射式和基于光的生物打印技术。挤出式生物打印通过挤压机械来分配材料，形成连续的材料流（图1A）。它可以处理不同粘度的生物墨水，但可能面临喷嘴堵塞和较高剪切应力的问题，这需要优化打印参数，如打印速度和材料的动态粘度。喷射打印通过微喷嘴将低粘度材料按滴分配，适用于精确的空间定位和梯度控制（图1B）。该方法利用热动力或压电执行器进行精确控制，但由于低粘度材料的层叠保真度限制，需要额外的交联时间。基于光的生物打印使用光（如紫外线）来固化光敏材料，适合制造复杂的几何结构（（图1C））。这种方法需要使用具有较低粘度的光敏材料来减少z轴层叠时的拖拽效应，但也要注意选择合适的光源和材料以避免对细胞造成损伤。

（2）先进的生物打印技术
为解决传统生物3D打印技术的限制，逐渐发展了的更先进生物打印技术。嵌入式打印允许在支持浴中打印，使得可以创建更精细的结构而无需牺牲层（图1D）。利用临时、可逆转的支持材料（如明胶、藻酸盐、Carbopol等），打印后通过环境变化释放最终结构。珠喷射打印通过无喷嘴的喷射方式，利用空气微流体学在高通量下定位含有细胞的Matrigel珠子（图1E）。这种方法可以重建复杂的组织，如肌肉和皮肤，并能进行毛囊再生。另外，体积打印在保持高细胞活性的同时，可以迅速打印出大尺寸的组织构建（图1F）。

（3）生物墨水
随后，作者详细介绍了生物墨水（Bioinks）的种类、特性以及在3D生物打印中的应用（图2）。生物墨水主要由水性和水凝胶配方组成，其中包括自然来源的材料如胶原蛋白、明胶、藻酸盐等，以及合成材料如聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）。这些墨水设计用于在打印过程中支持细胞生存，具有适宜的机械性能和生物相容性。作者进一步讨论了如何通过调整水凝胶的物理和化学交联方式，改善生物墨水的打印性能。例如，增加水凝胶的浓度可以提高其粘度，从而改善打印过程中的形状保持能力和结构完整性。整体而言，这一部分强调了生物墨水在3D生物打印中的核心作用，其配方和性质直接影响打印过程的效率和打印结构的质量。通过不断优化和创新生物墨水的配方，可以显著提升生物打印技术在组织工程和再生医学中的应用潜力。

图2 用于基于细胞的生物打印的生物墨水的生物材料类型

2.应用：生物3D打印可移植组织结构
生物3D打印策略旨在创建适合临床应用的组织构造，并有可能设计各种组织类型。制造组织或器官的主要考虑因素之一是必须采用能够准确模拟目标组织或器官结构和功能的设计策略。这需要深入了解被复制的组织或器官的解剖和功能方面。生物3D打印的优势在于它能够有效地实施这种设计策略，从而可以创建与其自然等同物非常相似的精确组织或器官模型。

设计策略涵盖各种组织类型，包括基于形状的组织，如骨骼、软骨、皮肤[87]和角膜；中空结构，如血管、尿道和气管；有组织的组织，如骨骼肌、心肌和神经组织；复合组织，如骨软骨（骨-软骨）和肌腱（肌腱）组织；以及整个器官，如肾脏、肝脏和心脏（图3）。这些器官需要复杂的微血管和功能性内部结构才能有效运作。通过结合生物材料、细胞以及生化和生物物理线索，生物3D打印提供了重建人体组织结构和功能复杂性的机会。这种方法可以精确设计组织形状、组织、结构和整合，为再生医学和组织工程的进步铺平了道路。

图3 生物3D打印技术能够创建各种形状和大小的结构

3.应用：生物3D打印体外组织模型
体外组织模型旨在通过整合人体细胞和 ECM 成分来复制组织和器官的生物、结构或生理功能。这些仿生平台具有多种应用，例如药物测试、毒性评估和疾病建模，并有望彻底改变药物发现过程。传统制药方法面临着成本高、时间长和临床前动物测试可预测性有限的挑战。体外组织建模技术旨在通过提供更准确、更高效的药物开发平台来克服这些障碍。

在传统的体外组织建模中，细胞通常在2D条件下培养，例如在组织培养板中，这是一种基本方法。然而，某些细胞类型在这种条件下可能会失去其自然特性和功能。为了解决这个问题并为细胞提供更逼真的环境，人们采用了替代方法（图4）。先进的技术包括将细胞培养为聚集体（球体）或类器官，利用3D生物打印创建复杂的组织/器官结构，以及集成微流体平台以支持动态微环境。虽然2D和3D细胞培养系统都具有高通量筛选能力，但它们可能无法模拟天然组织的复杂性和功能。相比之下，基于微流体的组织芯片在复制组织复杂性方面表现出色，但可能需要更适合高通量应用。   

图4 体外组织建模系统，包括2D细胞培养、3D类器官、生物打印组织构造和微流体驱动的组织模型

鉴于组织和器官固有的复杂性，其特点是细胞类型多样、几何排列特定，生物3D打印对于提高体外模型的准确性至关重要。为了获得与天然功能和表型紧密复制的组织模型，它们必须经历成熟过程。这涉及动态培养条件，例如灌注环境、机械和电刺激以及多种细胞类型的共培养。图5说明了各种组织模型的功能分类，包括神经生理、肌肉功能、代谢疾病、骨骼和造血、感染和多器官相互作用系统。当前的研究重点是改进这些模型，以更好地解决特定的组织特征和应用。技术的进步正在推动生物3D打印体外组织系统的进步，该系统针对一系列组织和器官模型进行了量身定制。   

图5 生物打印体外组织模型系统，可复制组织或器官特定的生物、生化和生物力学功能以及器官间相互作用，用于药物发现和精准医疗

最后，作者总结了生物3D打印在组织工程和再生医学中的当前进展，并对未来的发展方向提出了展望：

（1）技术进步的总结：文中回顾了3D生物打印技术如何实现从简单结构到复杂组织构建的转变，特别是在提高打印精度、材料多样性以及结构复杂度方面的进展。同时指出，尽管取得了显著的技术突破，但实现完全模拟人体组织的复杂性和功能性仍面临挑战。

（2）未来展望：文章强调了未来研究的重点将包括开发更为先进的生物墨水，这些墨水不仅要支持细胞生长，还要模拟细胞外基质的生物化学和生物力学属性。此外，提高生物打印组织的成熟度和功能化，以及推动其临床应用将是重要的研究方向。

（3）跨学科合作的重要性：指出实现3D生物打印技术的临床转化需要材料科学、细胞生物学、工程学等多个领域的专家进行更深入的合作。通过集成不同学科的知识和技术，可以加速3D生物打印技术的发展和应用。   

文章来源：
https://doi.org/10.1002/adma.202408032