3D生物打印構(gòu)建功能化軟組織

3D生物打印構(gòu)建功能化軟組織發(fā)布時間：2020-05-29（原創(chuàng)2020-05-28CMDE中國器審）

3D打?。═hree-DimensionalPrinting,3DP）又名增材制造（AdditiveManufacturing,AM），由CharlesW.Hull首次提出，是基于計算機輔助（CAD/CAM）、斷層掃描（CT）或核磁（MRI）形成數(shù)據(jù)，然后通過分層加工、逐層疊加方法來構(gòu)建三維架構(gòu)的技術(shù)[1]。3D打印具有個性化定制、精度高等特點，在構(gòu)建復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)方面具有顯著優(yōu)勢，因而近年來在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開始廣泛應(yīng)用，持續(xù)推動著醫(yī)療領(lǐng)域的重大創(chuàng)新。

一、3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)目前較多應(yīng)用于人體硬組織的打印，如組織模型、導(dǎo)入器械等，該技術(shù)已經(jīng)比較成熟。Liu課題組基于超聲數(shù)據(jù)進行3D打印，制作左心耳模型，輔助左心耳封堵手術(shù)前評估，可直觀展示封堵器釋放的影響因素（左心耳個性化結(jié)構(gòu)、直徑等），優(yōu)化手術(shù)操作。Owais等通過3D打印技術(shù)打印出患者個體化的二尖瓣環(huán)，可更好地評估術(shù)前二尖瓣環(huán)幾何構(gòu)造、大小及形狀。[2]

3D打印可植入器械的研究也在不斷發(fā)展，例如北京阿邁特醫(yī)療器械科技有限公司利用3D打印技術(shù)制造的生物可降解冠狀動脈藥物洗脫支架產(chǎn)品，目前已在我國獲批開展境內(nèi)臨床試驗研究。

圖1：3D打印的功能化血管網(wǎng)絡(luò)除了在硬組織領(lǐng)域應(yīng)用之外，軟組織的3D打印如打印功能血管網(wǎng)絡(luò)、人工心臟、人工皮膚等，也是當下研究熱點。

（1）2019年，science封面文章報道了通過3D打印技術(shù)制作的人造器官中的錯綜交纏的血管網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建具有模擬肺泡的、功能性的運輸空氣、淋巴液等物質(zhì)的管道（如圖1），預(yù)期幫助組織工程領(lǐng)域的科學(xué)家更好地理解3D打印器官，促進“人造器官”研究的發(fā)展[3]。

圖2：首例3D打印完整心臟（2）以色列特拉維夫大學(xué)研究人員利用患者自身細胞和生物材料，首次成功設(shè)計和打印出充滿細胞、血管并有心室和心房的完整心臟（如圖2）[4]。

（3）四川藍光英諾公司利用3D打印技術(shù)打印了生物型人工血管，并植入恒河猴體內(nèi)，推動了我國打印器官用于人類移植方面的發(fā)展[5]。

然而，軟組織的3D打印需要依賴于3D生物打印技術(shù)，目前仍面臨眾多挑戰(zhàn)。

二、3D生物打印技術(shù)

3D生物打?。?DBioprinting）是基于3D打印技術(shù)發(fā)展起來的，具有重要的研究意義及應(yīng)用前景。通俗來講，其通過3D打印技術(shù)，將含有活細胞的生物相容性材料打印成為三維功能化的活組織。所以，3D生物打印被用于再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，將發(fā)揮特殊優(yōu)勢。

3D生物打印的關(guān)鍵因素包括打印方法、生物相容性材料、細胞。與普通打印相比，3D生物打印涉及更多額外的復(fù)雜性，如材料的選擇、細胞類型、生長因子，以及與活細胞敏感性和組織結(jié)構(gòu)相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)。

（一）3D生物打印方法

普通3D打印方法主要有多種，包括：熔融沉積打印(fuseddepositionmodeling,FDM)、電子束熔化成形（electronbeammelting，EBM）、光固化立體印刷(stereolithographyappearance,SLA)、三維噴?。╰hreedimensioninkjetprinting，3DIP）、選擇性激光燒結(jié)(selectivelasermelting,SLM)等[6]。

考慮到用于3D生物打印的苛刻條件和關(guān)鍵影響因素，例如表面分辨率、細胞活力和用于印刷的生物材料，能夠用于生物打印的技術(shù)主要分為三類：噴墨生物打?。╥nkjetbioprinting）、微擠出生物打印（microextrusionbioprinting）和激光輔助生物打?。╨aser-assistedbioprinter）（如圖3）[7]。這些方法在3D生物打印中的不同特點列于下表（見表1）。

圖3：3D生物打印方法示意圖a）噴墨生物打印；b）微擠出生物打印（通過氣動或機械力進行連續(xù)擠出）；c）激光輔助生物打印（通過可吸收激光的基底材料產(chǎn)生脈沖壓力）

表1：三種3D生物打印方法對比1.噴墨生物打印

噴墨生物打印采用電加熱產(chǎn)生空氣脈沖，或者通過壓電、超聲等方法產(chǎn)生脈沖，然后在噴嘴處形成液滴，該方法優(yōu)點是速度快、費用低、適用范圍廣泛、細胞和材料濃度可調(diào)（濃度梯度），但具有必須采用液體材料、噴嘴阻塞等缺點。目前噴墨生物打印方法一般應(yīng)用于功能皮膚和軟骨的原位再生，并且保持高細胞活性和功能性。噴墨打印技術(shù)對于功能結(jié)構(gòu)再生具有非常大的潛力。

2.微擠出生物打印

微擠出生物打印是一種簡單通用的方法，通過機械力的擠壓作用，能夠使樣品池中的材料被連續(xù)擠出，然后通過在X、Y、Z軸方向的控制，獲得三維空間結(jié)構(gòu)。從材料粘度方面，該方法適用的材料對粘度范圍廣泛（見表1），高粘度材料通常提供結(jié)構(gòu)支撐作用，低粘度材料常被用作為維護細胞活性而提供細胞外環(huán)境。從材料特性方面，比較有代表性的材料包括溫敏性材料和剪切稀釋材料。例如有些材料在室溫下呈流動狀態(tài)，能夠與其他材料共同擠出，然后在體溫時交聯(lián)固化；剪切稀釋材料的粘度隨剪切率增大而減小，這一固有特性恰好滿足擠出工藝。

微擠出的最主要優(yōu)點是能夠沉積高的細胞密度，有利于滿足組織工程需要，缺點是細胞成活率低。微擠出生物打印已經(jīng)被用來制造多種組織，包括主動脈瓣膜[8]、分支血管樹[9]、體外藥物代謝[10]和腫瘤模型[11]等。雖然打印高分辨復(fù)雜結(jié)構(gòu)所用時間較長，但是目前該打印策略已經(jīng)能夠打印的產(chǎn)品比較廣泛。

3.激光輔助生物打印

激光輔助生物打印的原理可以簡單概括為，激光脈沖作用于能量吸收層上，然后產(chǎn)生高壓氣泡，推動含有細胞的打印材料到承接基體上，構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)。優(yōu)點為高分辨率、能夠沉積、高細胞密度。由于該方法要求快速交聯(lián)、花費高，目前應(yīng)用較少。

（二）材料

相比于普通3D打印，3D生物打印技術(shù)要求材料具有生物相容性，且能夠提供目標組織的功能性，例如機械性能。目前最常用材料分為兩大類：天然高分子和合成高分子。3D生物打印材料對比見表2，用于生物打印的理想材料性能要求見表3。

表2：3D生物打印材料對比

表3：用于生物打印的理想材料性能要求（三）細胞

用于打印的細胞，需要盡量接近體內(nèi)生理狀態(tài)、保持體內(nèi)功能，并且具有一定的增殖分化能力。目前用于3D打印已經(jīng)比較成熟的細胞主要是間充質(zhì)干細胞，例如骨髓間充質(zhì)干細胞、脂肪間充質(zhì)干細胞等。干細胞具有多種分化能力、再生組織與器官的潛能。誘導(dǎo)多功能干細胞（iPSC）也適合3D生物打印。

三、3D醫(yī)療器械監(jiān)管建議

3D生物打印技術(shù)已愈來愈多地融入到醫(yī)療領(lǐng)域，特別是醫(yī)療器械領(lǐng)域，鑒于該技術(shù)為醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)展帶來革命性變化以及同硬組織3D打印技術(shù)的差異性，目前的監(jiān)管法規(guī)和手段已不足以對其進行科學(xué)監(jiān)管。其他國家的監(jiān)管部門已開始積極針對3D打印技術(shù)提出指導(dǎo)意見，但更多的是集中于硬組織的3D打印，而不是3D生物打印領(lǐng)域，例如美國FDA發(fā)布的增材制造指南[12]。因此，針對軟組織的3D生物打印技術(shù)，尚需進一步關(guān)注，制定科學(xué)監(jiān)管要求，引導(dǎo)3D生物打印技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)、健康、創(chuàng)新發(fā)展。

參考文獻：

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[11].Xu,F.etal.Athree-dimension