這款震驚世界的首例3D列印人工角膜到底是怎麼做出來的?

角膜是眼球壁最外層的前1/6，形似凹透鏡，具有光線折射作用，是屈光間質的重要組成，在視覺成像中具有重要作用。

據世界衛生組織2001年統計，全世界有1000萬人需要通過角膜手術來防止沙眼造成的失明，另有近500萬人因角膜瘢痕而完全失明。儘管有大量的角膜捐獻者，但相對於龐大的需求人群來說，角膜供體仍然處於嚴重供不應求的狀態。

研發一種人工角膜彌補供體的不足一直是科學家追求的目標。而近日，英國科學家利用近幾年火熱的3D列印技術成功研製出世界首例3D列印人工角膜，為角膜患者帶來曙光。

來源/紐卡斯爾大學官網

人工角膜主要分為醫用高分子材料類和生物工程類兩種。前者比較低端，一般用於常規角膜移植容易失敗的少數疾病，國外已經有多種相對成熟的產品；後者則較為高端，也是本文的主角，這是一種利用生物工程技術生產的模擬人體角膜組織的材料，用於角膜移植手術，以期解決目前角膜移植供體相對缺乏的困境。此種人工角膜的研發已經有數十年的歷史，目前科學家大多只是研發出角膜基質的支架結構，缺乏活性上皮和內皮細胞，需要移植後受體患者自身角膜上皮爬覆。

此次英國紐卡斯爾大學的組織工程師Che Connon教授將角膜幹細胞與海藻酸鹽和膠原蛋白混合在一起，成功創造出一種完美的「生物墨水」，這種生物墨水既能讓幹細胞存活，又是一種既堅硬又柔軟的材料，堅硬到能夠保持形狀，柔軟到能夠從3D印表機的噴嘴中擠出。Che Connon教授表示，為了尋找這種完美的「生物墨水」，他們做了大量的測試試驗，此前已經用類似的水凝膠讓細胞在室溫下存活了數周，現在使用含有角膜幹細胞的生物墨水後，就可以允許用戶直接列印細胞，而不必擔心細胞的單獨生長，整個列印過程不到十分鐘。此外，他們可以通過掃描病人的眼睛獲得數據，快速列印出大小和形狀合適的眼角膜，以符合患者的獨特要求。研究者將此款3D列印人工角膜命名為「Cornea」。

以下為列印步驟

支撐結構生成過程：A研究人體角膜的大小和自然曲率；B 通過FEM算法製作出原始角膜模型；C將角膜模型轉換為實體，生成支撐結構，然後用平面圓密封；D線框視圖；E去除中空後的視圖；F最終的3D列印支撐結構。

使用做好的支撐結構來進行進一步的3D列印工序：A準備列印程序，並預覽列印的同心方向性；B支撐結構表面塗上FRESH以促進3D列印；C 3D列印正在進行中，用臺盼藍染色3%海藻酸鹽生物墨水以增加可見度；D 列印好後，孵育之前的人工角膜；E 孵育8分鐘後吸除表面的FRESH，然後將角膜結構從支架中小心地抽離出來。

目前該3D列印人工角膜仍然需要使用器官捐贈者提供的角膜（角膜幹細胞）做為材料，但讓人欣慰的是它能夠讓一塊健康角膜製做成50塊人工角膜，這讓器官輪候時間大幅加速50倍。紐卡斯爾大學在官方新聞稿中稱，這意味著這項全新的技術在未來可以確保無限量的角膜供應。

儘管令人震驚和興奮，但Che Connon教授表示，目前該人工角膜並不能直接用於移植，他們還需要更多的測試來確定其安全性和臨床適應性，距離真正臨床實用的那一天仍然還有一段距離要走。

參考文獻：Abigail Isaacson, Stephen Swioklo, Che J. Connon.3D bioprinting of a corneal stroma equivalent. [J]Experimental Eye Research 173 (2018) 188–193