自 2003 年美國克萊姆森大學團隊首次實現了活細胞列印,將 3D 生物列印研究推到前臺,科學家已經對該技術的應用前景進行了大膽展望,其中最具野心的預測,就是未來人體器官可以像汽車零配件一樣,磨損了可修復,損壞了可替換。
3D 生物列印,正是提供這些人體「配件」的加工方式。它藉助 3D 生物印表機,製造出細胞支架,再將細胞種入支架中,使細胞得以生長,並根據需要長成組織或器官。
但現實往往很「骨感」。在實際操作中,現有的生物墨水通常難以快速列印出孔隙大小合適的細胞支架,這直接關係到附著其上的細胞,能否長成適合人體的「配件」。
如今,一位中國學者領導的團隊從材料角度出發,提出了全新的生物列印方式,結合材料的相變特性,製備出高度聯通且具有細胞大小孔徑的多孔水凝膠,突破了這一難題。該成果論文目前已被英國皇家化學學會接收,將在 Materials Horizons 雜誌上發表。
論文共同通訊作者為加拿大麥吉爾大學李劍宇教授和 Luc Mongeau 教授,第一作者為麥吉爾大學機械工程專業博士生鮑光宇。其中,李劍宇曾在 2019 年入選《麻省理工科技評論》「35 歲以下科技創新 35 人」中國區榜單。他向 DeepTech 詳細解讀了這項最新成果,以及他另一項可能應用更廣闊的研究——最聰明的生物材料。
一直以來,3D 生物列印的一大難點,在於如何為細胞提供合適的生存環境、三維物理支撐。
具體來說,製備生物支架對其中的孔隙大小要求非常高。一般的細胞直徑約為 10 微米,如果支架的孔徑是上百微米,那細胞在支架上面,就和在平面上一樣,無法貼合生長。
另一方面,組織工程一般會採用水凝膠材料作為生物墨水,而水凝膠的孔隙又特別小。材料中的高分子鏈糾纏在一起,會形成非常多的孔隙,就像海綿一樣,只不過水凝膠的孔隙尺寸一般在 10~100 納米之間。
如果把細胞放到水凝膠材料當中,直徑 10 微米左右的細胞,就會把支架填充成一個非常緻密的材料。在這種擁擠的情況下,細胞的生長很多時候都會被束縛,更談不上實現細胞功能。
「所以我們希望給細胞構建出一個三維的立體空間,且孔隙的量級和細胞的尺寸相當,即為 10 微米的量級。」李劍宇說。
他們從材料本身的基礎性質的角度提出,利用材料的相變實現材料的孔隙。
根據論文介紹,李劍宇團隊提出了提出了名為響應微孔成型生物列印方法(Triggered Micropore-Forming bioprinting,簡稱 TMF),利用水凝膠刺激響應的微分相行為實現此類生物支架的快速製造。為此他們製備出一種由負載細胞的殼聚糖(chitosan)和聚乙二醇(PEG)微酸性水溶液組成的生物墨水。
其特點在於,在很小的範圍內對材料的 pH 值進行調整,材料會自行分相,形成 10 微米級別的孔隙,從而形成了具有細胞支撐的結構。同時在 pH 值調整範圍內,均不會對細胞的生長產生影響。
圖 | 使用TMF方法列印生物支架流程
相比之下,傳統製備的水凝膠材料的孔隙特別小,僅有 10-100 納米,這會阻礙細胞的生長,更不要說實現細胞的功能。李劍宇表示,這個研究的新意在於,團隊利用材料的基本性質,製成了特殊的生物墨水,將其結合到 3D 列印裡,就能解決傳統 3D 列印方法難以解決的問題。
另一方面,這種製備方式能在較短時間內打出大塊的纖維材料,同時保證材料內部具有細胞支撐的結構,大大提升了製備效率。
實驗表明,該生物墨水在經過 3D 列印後,形成了細胞大小的孔隙,且孔隙間高度聯通。該生物墨水系統具有良好的細胞兼容性,且在支架中保持較高的細胞存活率。
李劍宇表示,除了實現材料的孔隙,他們還能夠在不影響材料硬度、孔隙率等特性的同時,對材料的機械性質進行靈活調控,比如細胞的粘彈性。
據介紹,材料的粘彈性在生物材料的實際應用中有著重要的作用。粘彈性即聚合物在不同條件下表現出固體和液體的性質,像固體一樣有相對固定的形態,但質地如液體般柔軟。相比傳統 3D 列印生產出來的純彈性體系,粘彈性的體系更加利於細胞的生長和遷移。
哈佛大學生物工程教授 David J. Mooney,是李劍宇在博後階段的導師。Mooney 此前的研究表明,通過調控材料的粘彈性,就能對細胞的功能和行為進行很好的控制。包括控制幹細胞的分化和控制細胞的增殖。
最後,為了證明該列印墨水在生物工程上的應用效果,李劍宇團隊利用其列印了由人聲帶成纖維細胞和人氣管上皮細胞組成的複合聲帶結構,結果證明相比於傳統材料,具有多孔結構的新材料能夠大幅提高支架內成纖維細胞的生長和擴散。水凝膠構建體的結構完整性也得以保持。
這項生物列印領域的新研究,其實只是李劍宇團隊的一個跨界研究成果。
長期以來,他的主要研究方向是軟性生物材料。他希望未來的生物醫學材料,不但能夠取代手術縫合線來修復傷口,而且能像修復牙齒一樣,安全高效地修復關節軟骨和椎間盤等各類軟組織。要實現這一目標,未來勢必要使用到生物列印技術。
現階段,硬質生物材料已經在醫療領域被廣泛使用,比如用鈦合金和陶瓷材料修改牙齒和骨骼的技術已經非常成熟;但在軟組織醫學方面,現有的生物材料還遠遠無法滿足臨床應用的需要,比如用於創傷止血、傷口癒合、關節軟骨和椎間盤修復等等。
其中的關鍵原因在於,以往的軟質生物材料的機械性能遠低於生物組織,比如難以形成有效可靠的組織粘附。
隨著全球人口老齡化的加劇及各種醫療挑戰的出現,讓生物材料的重要性日益凸顯。
李劍宇及其團隊採用包括材料、力學、化學、仿生和生物工程在內的多學科交叉的方法,開發了多種新型生物材料,例如,用高強度生物膠水替代手術縫合線閉合傷口,將高性能仿生植入材料用於關節軟骨和椎間盤修復,以及可以控制大出血的新型止血材料。
這些新材料的性能遠超既有的材料,它們的組織粘附性能可以提升 100 倍以上,同時具有出色的⽣物相容性,還能實現藥物控釋、細胞遞送等功能。
在傷口修複方面,目前使用的基本都是「惰性」材料,為傷口提供基本的保護,但沒法促進傷口癒合。而李劍宇團隊開發的新型生物材料是一種具有生物力學活性的物質,讓材料更加聰明(Smart),它不僅能夠保護傷口,同時還能對組織施加一定的外力,來促進傷口的癒合。
將生物材料用於軟骨和椎間盤修復,是李劍宇課題組的另一大研究方向。
對於關節和椎間盤軟組織損傷,目前的治療方案通常會採用金屬、塑料等硬質材料植入體內,用以修復或代替受損軟組織。
人在衰老過程中,關節、椎間盤等軟組織易出現問題。目前的治療方案通常會採用金屬、塑料等硬質材料植入體內,用以修復或代替受損軟組織。
但問題在於,這些硬質材料的生物力學性質和含水量與人類軟組織相去甚遠,長期使用會有較大的生物相容性問題,甚至會造成臨近軟組織的病變。這正是目前軟組織醫學所遇到的困境之一。
李劍宇研製的新型生物材料,正在突破這一問題。這些新材料「像果凍一樣」,其含水量和人體組織相當,同時在機械性質上也能做到和人體組織差不多,甚至優於人本身的組織。
有了聰明的生物材料,李劍宇還有更大的野心,他想讓生物印表機參與到臨床的手術操作中。
當下,藉助生物列印生產生物材料,然後將其植入人體內,用以修復或取代受損組織,已經有了一些應用。李劍宇覺得這遠遠不夠,他希望,未來進行組織修復治療時,能夠直接使用一臺像機械臂一樣的生物印表機,直接在椎間盤或是軟骨上進行修復。
由於多數創口都是不規則的,所以機械臂需要在上面根據具體的情況實時進行 3D 列印,填充非均質的生物材料。
這裡就涉及生物列印的另一大優勢。以往科學家只能通過化學合成的方式來製備生物材料,得到的材料往往是一個均一的體系;但生物列印能夠實現非均質的三維結構,從而實現材料在每個方向、位置的粘彈性可能都不一樣。
李劍宇表示,這已經是大勢所趨,目前這個機械臂生物印表機也已經被他納入到研究項目當中。
李劍宇在浙江大學讀本科時,專業是材料與工程。後來到哈佛大學攻讀博士,研究方向更加側重材料力學。再到博士後階段,李劍宇的研究方向則進入到了生物材料和生物工程領域。
圖 | 李劍宇
其個人的獨特求學過程,讓他擁有一個跨學科交叉的背景。而在研究工作中,這一背景也讓他能以一種非傳統的角度和方法開發新材料,比如從仿生的理念出發,研究生物組織本身的性質,再結合多學科交叉的方式打造新的材料,重塑生物組織本身的性質,滿足實際生物醫療需求。
在李劍宇看來,從開始博士生涯到如今的 10 年時間,他的研究工作從最早的基礎研究,到如今正一步一步接近最終的實際應用。
10 年前,李劍宇自己都認為其所聚焦的研究,僅僅是一項傳統的科研工作,而隨著後來的論文產出、成功申請專利等進展,讓李劍宇逐漸看到了將這項技術直接用於患者治療的巨大潛力。
在博士後期間,李劍宇開始和更多的醫生、醫院展開合作,那也是他接觸現實問題的開端。
李劍宇介紹,當時有一個病例,因為患者血液中糖分過高,導致四肢修復能力較差,創口難以癒合。當時他們在生物材料的相關研究,剛好可以為患者治療提供新的思路。這些實際的臨床病例,讓李劍宇清晰認識到,科研工作也可以在實際醫療中表現出真實的意義。
目前,李劍宇團隊專注於這些新型生物材料的優化和臨床前測試,下一個裡程碑目標是將該材料技術推向臨床轉化和商業應用。他最後告訴 DeepTech,對於一個前沿的科研領域來說,找到合適的應用場景,將研究成果、技術轉化成最終的應用,對整個學科的持續發展至關重要。