《中國新材料研究前沿報告2021》增材制造材料——增材制造生物醫(yī)學材料

作者：黃衛(wèi)東、王理林、王猛
來源：日新材料

4.1.4 / 增材制造生物醫(yī)學材料
生物醫(yī)學材料（Biomedical Materials），又稱生物材料，是用于臨床診斷、治療、修復、 替換人體組織 / 器官或增進其功能的新型高技術材料，與人類健康息息相關。生物材料科學與工程總是與其終端醫(yī)療產(chǎn)品（一般指醫(yī)用植入體）密不可分，通常談及生物材料，既指材料自身，也包括醫(yī)用植入器械。近年來，為滿足組織器官移植及組織損傷修復的巨大且迫切的臨床需求，復雜組織器官“活性”再造與“功能”重建已成為生物材料領域的研究熱點與難點。而生物增材制造技術因具有個性化、高仿生、高精度等突出優(yōu)勢，能夠滿足生物材料對高度仿生及結構精細制造等的復雜要求，為解決上述難題帶來了新技術與新方法，在生物材料領域得到廣泛應用。

4.1.4.1　生物增材制造工藝與裝備研究進展
增材制造生物醫(yī)學材料的發(fā)展同生物增材制造工藝與裝備的發(fā)展密不可分。當前主流的打印工藝主要包括：噴墨生物打印、擠出生物打印、激光輔助生物打印、光固化打印等，用于打印骨、軟骨、骨骼肌、皮膚、神經(jīng)、血管、肝臟等組織器官。為了進一步提升生物增材制造打印精度、細胞存活率等，擴展生物增材制造技術與生物醫(yī)學材料的應用可能性，各國科研機構與企業(yè)不斷探索創(chuàng)新工藝，涌現(xiàn)出原位打印、體內(nèi)制造和復合制造等一批新技術。

生物增材制造技術作為世界醫(yī)療領域的研究前沿與熱點，獲得了全球眾多研究機構的高度關注及各國政府的重視與支持。目前，全球已有超過 300 家專門從事生物增材制造工藝 / 裝備研究和開發(fā)的研究機構和公司。生物增材制造工藝方面國際上主要有美國 Wake Forest 再生醫(yī)學研究院、美國普林斯頓大學、哈佛大學 WYSS 學院、新加坡國立大學等高校 / 研究機構，國內(nèi)則有清華大學、浙江大學、杭州電子科技大學、中國科學院深圳先進技術研究院等 高校 / 研究所。生物增材制造設備研究方面國際上主要有美國 Organovo 公司、德國 Envision TEC 公司、日本 Cyfuse Biomedical 公司、瑞典 Cellink 公司等企業(yè)，國內(nèi)主要有廣州邁普公司、杭州捷諾飛公司等企業(yè)。各高校 / 機構、企業(yè)紛紛圍繞生物增材制造工藝、裝備等核心問題進行攻關，使得生物增材制造技術得以快速發(fā)展。

為了確保生物醫(yī)用材料增材制造工藝研究的順利開展，國際上圍繞增材制造裝備的打印方式、打印精度、打印功能等方面開展了創(chuàng)新研制，并取得了多項成果。2018 年，哈佛醫(yī)學 院研究人員開發(fā)出一種基于立體光刻的生物打印平臺，用于多材料制造異質水凝膠構造。該新型微流體裝置能夠在不同（細胞負載的）水凝膠生物炭之間快速切換，以實現(xiàn)逐層多材料生物打印 [177]。2019 年，瑞典 Cellink 公司宣布推出 BIO X6，該裝備負載新型的六打印頭生物 3D 打印系統(tǒng)，可在六個不用的位置同時使用不同的壓力、溫度和方法進行打印。2020 年， 荷蘭 3D 打印機制造商 FELIXprinters 發(fā)布了新型生物 3D 打印機 FELIX BIOprinter，該裝備配備了可以擠出多種黏度材料的強勁電機，可適用于所有類型的生物 3D 打印研究，其可以分配黏度高達 64000cP（動力黏度，1cP=10-3Pa·s）的各種黏性材料，并具有從液體到糊劑材料和生物油墨的擠出能力。

在生物打印工藝方面也取得了豐富的研究成果。2018 年，韓國成均館大學開發(fā)了一種創(chuàng)新的細胞打印工藝，輔以微流體通道，核殼噴嘴和低溫處理，以獲得載有細胞的 3D 多孔膠原支架，利用此工藝開發(fā)的 3D 多孔生物醫(yī)學支架在冷凍保存 2 周后，支架中的細胞（成骨細胞樣細胞或人脂肪干細胞）顯示出良好的活力，在組織工程應用方面具有巨大潛力 [178]。同年，韓國理工大學研究了一種新的擠出生物打印技術，可以同時創(chuàng)建異構、多細胞和多材 料結構，并利用此技術制造了異質的組織樣結構，如脊髓、肝小葉、血管和毛細血管，與均相和異質細胞打印相比，異質模型顯示出良好的肝小葉結構和更高的 CYP3A4 酶活性 [179]。2019 年，哈佛大學的 Jennifer Lewis 教授團隊開發(fā)出一種全新的生物 3D 打印方法：功能性組 織中直接打印犧牲材料（SWIFT）工藝，采用器官構建塊（OBBs）作為打印基底，使用其獨創(chuàng)的 SWIFT 打印技術在其中打印用于形成復雜血管通道的犧牲材料。后續(xù)通過溫度變化， 使得細胞外基質溶液凝膠固化，以方便洗脫犧牲材料，在組織中形成血管通道 [180]。同年， Albanna 等利用噴墨原位打印工藝，采用纖維蛋白原 / 膠原 + 自體角化細胞 / 成纖維細胞進行修 復，研究結果顯示傷口閉合提前 3 周，傷口收縮減少 50%，再上皮化加速 4 ～ 5 周 [181]。2020 年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的 Matthias P. Lutolf 課題組創(chuàng)新性提出了 BATE 打印技術（Termed Bioprinting-Assisted Tissue Emergence），使用干細胞和類器官作為自發(fā)的自組織構建單元，這 些構建單元可以在空間上排列以形成相互連接且不斷進化的細胞結構，從而實現(xiàn)對類腸道組織、多細胞復雜組織的打印，為干細胞和再生醫(yī)學提供新的方法，為工程化自組織（Self- Organization）、功能化組織甚至多種組織組合提供了強大的工具 [182]。同年，基于熔融靜電直 寫和擠出式打印的復合制造技術，荷蘭烏得勒支大學團隊完成了骨、軟骨多層結構的打印， 成功構建軟硬組織交接的界面，并且骨、軟骨和交界處的力學性能均可調(diào)控以實現(xiàn)更好的仿生效果 [183]。

4.1.4.2　生物墨水研究進展
全球生物墨水領域的創(chuàng)新技術和產(chǎn)品日新月異，天然高分子材料（明膠、透明質酸、硫 酸軟骨素、葡聚糖、海藻酸、殼聚糖、肝素等）、人工合成材料（聚乳酸、聚己內(nèi)酯、聚羥基乙酸、乳酸 - 羥基乙酸共聚物、多臂聚乙二醇等）及多種干細胞（胚胎干細胞、神經(jīng)干細胞等）等生物 3D 打印原材料已實現(xiàn)廣泛應用，相關原材料產(chǎn)業(yè)化程度較好。但為突破可打印生物材料（又稱“生物墨水”）種類匱乏對生物增材制造技術在醫(yī)學材料領域應用的限制， 各研發(fā)團隊根據(jù)打印產(chǎn)品功能化、與打印工藝的匹配等需求，攻關傳統(tǒng)生物墨水不穩(wěn)定、生物活性差等應用瓶頸，開展材料的功能化改進等技術研究，致力于開發(fā)更多具有特殊性能的 新型生物墨水，不斷擴充增材制造生物墨水庫，進一步拓展生物增材制造技術在醫(yī)用材料領 域的應用，目前已在生物自組裝材料、響應型材料、功能型材料等新型生物墨水方向進行技 術研究與開發(fā)。

2018 年，賓夕法尼亞大學研究人員開發(fā)出一種微凝膠生物墨水（包括 NorHA、PEGDA、 瓊脂糖流變生物墨水），該墨水在打印時允許流動，在沉積時能快速凝固，并可通過二次交聯(lián)進一步穩(wěn)定，可用于細胞打印、異質打印、二次交聯(lián)等，具有較大的應用潛力 [184]。2020 年，加州大學的 Ali Khademhosseini 教授和 Nureddin Ashammakhi 教授團隊開發(fā)了一種可在細 胞包載初期自發(fā)產(chǎn)生氧氣的 GelMA 基 3D 打印生物墨水，通過向 GelMA 墨水中添加過氧化 鈣（CPO）及過氧化氫酶以持續(xù)產(chǎn)生氧氣，提高了細胞的存活率，該 CPO-GelMA 墨水為水 凝膠 3D 細胞培養(yǎng)過程中氧氣無法及時供應而導致封裝細胞活性差的問題提供了新的解決思 路 [185]。2020 年，瑞典隆德大學瓦倫堡分子醫(yī)學中心的 Nathaniel S.Hwang 研究團隊制備了一 種由天然聚合物海藻酸鹽組成、并用脫細胞化的細胞外基質（dECM）增強生物活性的組織 特異性復合生物墨水，可用于打印人類呼吸道上皮祖細胞和平滑肌細胞組成的氣管空腔結構， 該研究為下一代組織特異性生物墨水的研發(fā)奠定了基礎，并使生物 3D 打印組織應用于臨床移植成為可能 [186]。2021 年，萊斯大學的 Antonios Mikos 教授團隊發(fā)明了一種使用光敏明膠 納米粒子作為膠體構建單元，可 3D 打印且具有形狀記憶功能的新型生物墨水，納米粒子之間存在非共價相互作用，膠體凝膠可以形成為可擠出和自修復的墨水，因此可在室溫下打印， 并通過紫外線照射使 3D 打印體穩(wěn)定化 [187]。

4.1.4.3　增材制造生物醫(yī)學材料開發(fā)及功能性組織重建
（1）增材制造生物醫(yī)學材料在組織修復領域的研究進展
通過生物增材制造技術構建的軟、硬組織工程支架已在組織修復領域取得廣泛應用，如 3D 打印骨植入物等硬組織修復產(chǎn)品及人工硬腦膜等軟組織修復產(chǎn)品。當前各國專家學者仍在不斷嘗試通過引入各類活性因子、優(yōu)化打印工藝、開發(fā)新型生物墨水等方法，探索更加高效的軟、硬組織修復生物醫(yī)學材料。

2019 年，美國加州大學圣地亞哥分校的 Chen Shaochen 教授課題組和 Tuszynski 課題組 合作，采用微尺度連續(xù)投影光刻法（μCPP）3D 打印了高精度的脊髓修復支架，種植神經(jīng)祖 細胞（NPC）的脊髓支架在脊髓損傷模型內(nèi)可以支持軸突再生，幫助損傷脊髓實現(xiàn)修復 [188]。2020 年，韓國浦項科技大學的 Dong Woo Cho 課題組利用生物增材制造技術開發(fā)了含脫細胞 基質 dECM 的水凝膠 +PU-PCL 半月板支架，為半月板再生提供組織特異性與微環(huán)境，具有極好的生物相容性、力學性能與生物學功能；同年，該課題組使用旋轉復合 3D 打印方法制 造了含脫細胞基質 dECM 的水凝膠 +PCL 支架，用以解決炎癥反應，促進再生微環(huán)境，是一 種有前途的放射性食管炎治療策略 [189]。2021 年，哈佛大學醫(yī)學院的 Su Ryon Shin 教授團隊 基于 GelMA 水凝膠材料，開發(fā)了一種封裝血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）的智能傷口修復支 架，裝飾有光敏和抗菌四足氧化鋅（t-ZnO）微粒，通過紫外 / 可見光照射激活 t-ZnO，可實 現(xiàn) VEGF 的智能釋放，具有良好的促傷口愈合性能 [190]。

（2）增材制造生物醫(yī)學材料在組織器官重建領域的研究進展
利用增材制造技術構建的微組織產(chǎn)品在國際上較早實現(xiàn)了商業(yè)化應用，目前已成功打印并在動物體內(nèi)實現(xiàn)了皮膚、尿道、軟管、膀胱、肌肉和陰道等器官和組織的移植，且部分組 織移植后可長出血管，正在準備臨床試驗以推進人體組織 / 器官的產(chǎn)業(yè)化進程。當前，國際上專家學者專注于通過活細胞打印構建體外組織器官、模型等并實現(xiàn)功能重建，已取得顯著成效。

2019 年，美國卡耐基梅隆大學的 Adam W. Feinberg 教授團隊構建了具有良好生物學功 能再現(xiàn)的膠原心臟，可實現(xiàn)心室具有同步收縮（不再是一個補片）、定向動作電位傳播，以及收縮期間心室壁增厚 14% 等功能 [191]。2019 年，美國萊斯大學的 Jordan Miller 教授與華盛頓大學的 Kelly Stevens 教授利用高精度的光刻 3D 打印技術提供了復雜的血管化網(wǎng)絡結構的 構建方法，實現(xiàn)了對大尺寸類肺結構的打印，實現(xiàn)了對肺呼吸功能的模擬 [192]。2020 年，美國喬治華盛頓大學的 Grace Zhang 課題組采用可光聚合的生物墨水材料體系，利用立體光刻 （SL）3D 打印工藝構建“腫瘤 - 血管 - 骨”異質組織模型，探究乳腺癌細胞轉移機制 [193]，韓國浦項科技大學的 Kunyoo Shin 教授團隊以基質成纖維細胞、內(nèi)皮細胞等作為生物墨水材料， 構建了人體膀胱組裝體，藥理學檢測顯示，該組裝體的刺猬通路活性與體內(nèi)成體膀胱的活性 相近，表明該人體膀胱組裝體重現(xiàn)了上皮細胞與基質之間功能的相互作用 [194]。