英國(guó)3D生物打印器官研究獲得突破性進(jìn)展

3D生物打�。�3D-Bioprinting）是一個(gè)令人興奮的新技術(shù)，該技術(shù)可能有一天會(huì)實(shí)現(xiàn)可移植人體器官的定制化。日前，英國(guó)斯旺西（Swansea）大學(xué)醫(yī)學(xué)院的一組科學(xué)家正在研究新一代3D生物打印技術(shù)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，以及使用生物方法制造活組織。
隨著研究進(jìn)展，科學(xué)家們認(rèn)為，3D生物打印技術(shù)很有希望用來(lái)制造活體結(jié)構(gòu)以替代人體受損的或患病的組織。據(jù)天工社了解，當(dāng)前，研究人員們正在著力解決因關(guān)節(jié)炎產(chǎn)的膝關(guān)節(jié)或髖關(guān)節(jié)的組織損傷和因癌癥造成的腹部、氣管及乳房的切除而進(jìn)行組織置換問(wèn)題。
該研究小組正在開(kāi)發(fā)制造活體組織結(jié)構(gòu)的機(jī)器——3D生物打印機(jī)，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)的最新版本被稱為3Dynamic組織工程工作站（3Dynamic Tissue Engineering Workstation），這臺(tái)3D生物打印機(jī)使得3D生物打印這種復(fù)雜的工藝變得更加準(zhǔn)確、可靠和經(jīng)濟(jì)。斯旺西大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Daniel Thomas博士在介紹這臺(tái)機(jī)器時(shí)說(shuō)。
“3D生物打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以在更廣泛的范圍內(nèi)用于大學(xué)的實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用的水平。短期內(nèi)，這種技術(shù)就可能得到更多的應(yīng)用，并且會(huì)更有效推動(dòng)再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究和創(chuàng)新�！�

斯旺西大學(xué)的實(shí)驗(yàn)性3Dynamic組織工程工作站，其被用于生產(chǎn)以軟骨細(xì)胞為基礎(chǔ)的組織，例如脊椎動(dòng)物氣管部分。

這項(xiàng)研究是從兩年前開(kāi)始的，當(dāng)時(shí)因?yàn)槿鄙倏梢?D打印軟組織的設(shè)備，所以斯旺西的研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)材料的特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)了一款機(jī)器。天工社發(fā)現(xiàn)，這臺(tái)機(jī)器專門使用軟骨細(xì)胞做為原料，制造并并維持一些身體組織中的軟骨基質(zhì)。這些細(xì)胞可以被生物打印成3D生物體系結(jié)構(gòu)，比如氣管的形狀。這臺(tái)機(jī)器的精度已經(jīng)達(dá)到了可重復(fù)制造復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)的水平。
研究團(tuán)隊(duì)目前正在此基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，包括開(kāi)發(fā)3D生物打印硬件、固件和軟件。這些改進(jìn)將直接來(lái)源于對(duì)傳統(tǒng)3D打印工藝的創(chuàng)新。研究團(tuán)隊(duì)將技術(shù)開(kāi)發(fā)與科學(xué)研究相結(jié)合，致力于解決細(xì)胞自我組織、發(fā)育生物學(xué)和組織成熟過(guò)程等方面，其最終目標(biāo)是制造復(fù)雜的生命結(jié)構(gòu)。

3D生物打印使用軟骨細(xì)胞、藻酸鹽、透明質(zhì)酸、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子SS1、抗生素和明膠等物質(zhì)的混合物產(chǎn)生多相組織；以形成可打印的生物活性凝膠，這種凝膠可長(zhǎng)成組織。

研究人員目前已經(jīng)開(kāi)始將這項(xiàng)技術(shù)用于膝關(guān)節(jié)修復(fù)。當(dāng)下對(duì)于關(guān)節(jié)炎造成關(guān)節(jié)軟骨磨損的患者最好的治療方案就是進(jìn)行關(guān)節(jié)置換手術(shù)，為其安裝一個(gè)人工關(guān)節(jié)。這是一個(gè)痛苦的過(guò)程，而且并不一定是永久有效的。利用3D生物打印進(jìn)行組織修補(bǔ)，可先制備，然后再移植，從根本上而允許膝關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)。2010年，全球膝關(guān)節(jié)置換市場(chǎng)價(jià)值為69億美元，而且隨著人類老齡化的到來(lái)，到2017年預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)至110億美元。
與傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)相比，斯旺西大學(xué)的團(tuán)隊(duì)更著重于發(fā)展全數(shù)字化的設(shè)備，以便于更有效地沉積復(fù)雜的生物基液體�！�3D生物打印本質(zhì)上是通過(guò)傳統(tǒng)的逐層自動(dòng)化增材沉積技術(shù)來(lái)制作三維的功能性活體組織的過(guò)程。” Daniel說(shuō)。“這個(gè)過(guò)程必須由計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，以確保做為構(gòu)建材料的生物活性凝膠的精確沉積，同時(shí)還需要考慮到細(xì)胞的自組織屬性，以便產(chǎn)生可測(cè)量的、系統(tǒng)性的、具備代謝能力和功能特性的活體功能組織。”

利用3D生物打印制成的準(zhǔn)組織，經(jīng)過(guò)兩天的成熟后會(huì)變成以軟骨細(xì)胞為基礎(chǔ)的組織。

該研究團(tuán)隊(duì)使用的3D生物打印技術(shù)的工作原理是首先在注射器型沉積系統(tǒng)中裝入含有每毫升2至2000萬(wàn)個(gè)軟骨細(xì)胞并混合以藻酸鹽、透明質(zhì)酸、生長(zhǎng)因子β1，抗生素和明膠的生物活性凝膠。打印機(jī)的控制軟件是基于Pronterface架構(gòu)設(shè)計(jì)的，可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)精確定位打印頭在XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置。這使得制造組織時(shí)的精度能達(dá)到±5μm，就像常規(guī)的3D打印系統(tǒng)。

3D生物打印還可以用來(lái)制造血管組織，當(dāng)然這需要同時(shí)打印相應(yīng)的支架，以確保在制造過(guò)程中血管結(jié)構(gòu)得到支撐。上圖就是研究人員打印的一個(gè)比較大的動(dòng)脈的結(jié)構(gòu)，還屬于準(zhǔn)組織。

打印好的準(zhǔn)組織被轉(zhuǎn)移到一個(gè)37.8℃反應(yīng)器中，每?jī)商旄鼡Q一次生長(zhǎng)因子，然后細(xì)胞開(kāi)始在三周內(nèi)生長(zhǎng)和成熟為一個(gè)組織。這其中的關(guān)鍵點(diǎn)是：在成熟過(guò)程中需要添加0.1％的透明質(zhì)酸到生物凝膠中去，以限制蛋白聚糖的流失。Daniel解釋說(shuō)：“這個(gè)很重要，因?yàn)榈鞍拙厶鞘羌?xì)胞外基質(zhì)的關(guān)鍵組成部分。它是組織中細(xì)胞之間的填充物質(zhì)，起到對(duì)周圍組織進(jìn)行結(jié)構(gòu)和生化支撐的作用，沒(méi)有它則組織無(wú)法正確形成�！�

使用3D生物打印工藝制造的顎、耳結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化的骨小梁幾何結(jié)構(gòu)。

通過(guò)改變沉積速度，就可以改變每層的分辨率。其他的方法也包括使用多種生物材料打印三維生物支架。各種以水凝膠為基礎(chǔ)的材料可用于制造支架，比如血纖維蛋白、聚（丙交酯 - 共 - 乙交酯）（它是多孔的），還有瓊脂糖和藻酸鹽等。這是制造可置換動(dòng)脈的一種方法。這項(xiàng)技術(shù)的挑戰(zhàn)是要充分理解用于制造活性組織的三維細(xì)胞結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)闹Ъ懿牧现�間的相互作用關(guān)系。為了克服這些局限性，研究團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)新的方法來(lái)把細(xì)胞和支架精確地堆疊在一起。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這項(xiàng)研究的最終目的是把3D生物打印變成一種制造工藝，以用于生產(chǎn)多種類型的組織，這些組織可作為手術(shù)修復(fù)材料或在短期內(nèi)對(duì)藥物作用進(jìn)行檢測(cè)。據(jù)天工社了解，研究團(tuán)隊(duì)下一步的工程將是使不同類型的細(xì)胞——包括間質(zhì)干細(xì)胞、心肌細(xì)胞、祖細(xì)胞、成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞——同時(shí)沉積以產(chǎn)生更為復(fù)雜的組織，甚至器官。Daniel解釋說(shuō)：“不同的干細(xì)胞材料可以產(chǎn)生復(fù)雜的組織，可以用于比如說(shuō)腹部或乳房重建等應(yīng)用。為了繼續(xù)深入這個(gè)課題，我們目前正在研究耳朵部件的制造工藝，比如耳蝸，這是人耳結(jié)構(gòu)最重要的部分。”
在這個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，也可能導(dǎo)致未來(lái)對(duì)手術(shù)中病人的直接進(jìn)行3D生物打印，將相應(yīng)的組織或器官直接打印到患者體內(nèi)。這將意味著未來(lái)的臨床手術(shù)將發(fā)生革命性的變化。