一文看懂生物3D列印技術如何構建強度高、生物相容性好的組織支架

2020-08-28 上普生物


生物3D列印領域不斷發展，人們已經不滿足於單純基於水凝膠類材料的組織構建。高溫熔融生物列印技術的出現讓我們對高強度、生物相容性好的組織器官列印提供了更多的可能性。本文帶您深入淺出的看懂這種技術和未來的發展空間。



生物3D列印的進展

生物3D列印技術以細胞、蛋白質、生物材料等作為構造單元，構建生物學模型、生命系統和治療產品。由於其可量身定製性，結構和孔隙可控性以及可複合多種材料等特性受到了研究人員的廣泛關注，是目前最具潛力實現人體組織及器官列印的技術。

2019年，生物3D列印技術全方位爆發，多篇生物3D列印文章發表於頂級期刊雜誌（年終特稿 | 2019十大最值得關注的生物3D列印研究），如美國萊斯大學發表了生物3D列印的第一篇Science，利用高精度的光刻技術提供了複雜的血管化網絡結構的構建方法，該方法使得複雜組織器官的構建成為可能。卡耐基梅隆大學去年同樣在Science發表文章，利用懸浮膠作為列印支撐體，高精度的列印了心臟瓣膜及心臟等複雜結構，列印的心室具有同步收縮（《Science》重磅| 生物3D列印膠原心臟）。當前技術的局限性雖然行業發展迅速，但當前的技術還有諸多的局限性：

首先，人體的骨骼、關節、肌肉等對生物力學有較高要求的組織，單純使用水凝膠材料顯然不能滿足科研人員的需求。

其次，高分子材料可以使用FDM技術（Fused Deposition Modeling，熔融沉積）這一常見的3D列印技術構建。然而，FDM列印工藝在生物醫學的應用上有如下幾個問題：

  1. 難以保證潔淨度
  2. 工藝常用的的線型材料往往不是醫用級，無法進行可植入性實驗
  3. 無法添加輔助材料，以調節支架性能
  4. 基於FDM工藝的3D印表機無法實現高分子材料與水凝膠類材料複合列印。

​高溫熔融複合列印技術

那麼，

如何列印具有高力學強度的生物支架？

能否列印一款既能保證力學要求，

又能實現細胞/因子的定向分布的完美支架呢？


必須可以！！！

今天帶領大家了解一下高溫熔融複合列印技術，該技術是基於傳統FDM技術衍生出的可以應用於生物3D列印的工藝技術。高溫熔融複合列印技術將顆粒狀或其他形態的醫用級生物高分子材料進行高溫熔融，噴頭按照設計軌跡運動，同時將熔化的材料擠出並迅速冷卻成型，通過材料逐層推擠形成最終的成品。這樣的技術使得列印材料可以不局限於一種，而是可以混合多種材料，以調節支架的力學性能，並且利用多材料生物列印技術，可以實現高分子材料與水凝膠類材料複合列印


目前在高溫熔融複合列印技術中常用的生物高分子材料包括聚己內酯（PCL）、聚乳酸（PLA）、聚乳酸-羥基乙酸（PLGA）等，其中PCL具有低熔點、可降解、生物相通性好等特點，同時也已獲得FDA批准，是生物3D列印支架的理想材料。

應用案例高溫熔融複合列印技術讓更多樣的組織器官構建成為了可能，下面我們來分享其中幾篇典型案例：

外耳組織

美國維克森林大學醫學院Anthony Atala研究團隊在Nature Biotechnology發表文章，利用多噴頭生物3D列印系統，分別將含細胞水凝膠、PCL、Pluronic F-127（犧牲材料）加載至包含高溫噴頭的不同列印噴頭，通過模型處理軟體設計各噴頭列印路徑，支架列印完成後在低溫條件下去除支架中的Pluronic F-127，最終形成的支架在滿足力學強度的同時也能提供細胞所需的養分、氧氣輸送的微通道。研究人員將該支架皮下植入小鼠體內，2個月後支架依舊保持原有結構，且已經形成軟骨組織和血管系統，這一結果表明，該列印方案通過結合生物學原理融入微通道，能夠為細胞提供各必需營養物質，支持細胞和組織的生長和功能。



Kang, H.-W., Lee, et al. 「A 3D bioprinting systemto produce human-scale tissue constructs with structural integrity.」 Nature Biotechnology 34(3) (2016):312–319.

肌肉組織

不僅是耳朵，Anthony Atala團隊同時用肌纖維母細胞、PCL以及F127材料組合，利用高溫列印和水凝膠列印的多噴頭生物列印技術，構建出肌肉組織。通過體外實驗及內皮細胞標記物的表達和肌電圖，結果表明細胞在列印後第三天開始沿著PCL縱軸進行伸展，並具有較高的活性，7天後觀察到排列整齊的肌管纖維結構。體內植入結果顯示，整個支架的血管化和肌肉結構對電刺激的反應在某種程度上與發育中的肌肉相一致，證明構建的組織、器官都能夠在2周內生成血管、神經系統，且其自身形狀不發生改變。


Kang,H.-W., Lee, et al. 「A 3D bioprinting system to produce human-scale tissueconstructs with structural integrity.」 Nature Biotechnology 34(3) (2016):312–319.

骨修復支架

在骨修復支架研究方向，部分學者將PCL與無材料結合列印複合支架，常見添加材料包括HA、TCP、生物玻璃、金屬離子等，研究結果證明這些材料的加入能有效促進骨再生。韓國成均館大學的GeunHyung Kim團隊通過將PCL與生物玻璃BGS-7結合，通過高溫熔融列印技術構建骨修復支架。力學測試結果證明支架的韌性明顯強於單純生物玻璃支架，且複合支架的親水性、蛋白吸收等作用增強，細胞增殖和成骨活性顯著增加。


Kim,Y., Young Lim, et al. 「3D-printedPCL/bioglass (BGS-7) composite scaffolds with high toughness and cell-responsesfor bone tissue regeneration.」Journal of Industrial and Engineering Chemistry 79（2019）：163-171.

上海交通大學醫學院的鄧廉夫教授團隊於Biomaterials發表文章，通過高溫熔融列印技術構建了負載去鐵胺（DFO）的PCL骨修復支架。體內外研究表明構建的生物3D列印支架具有優異的血管化和成骨活性，能夠快速的促進大鼠股骨遠端巨大骨缺損的修復。同時，該研究設計通過靶向調控HIF-1α信號通路，實現了3D列印支架能夠模擬並促進生理狀態下骨修復重建過程中血管化的關鍵步驟，為功能化3D列印支架的構建提供了新的思路和轉化前景。



Yan, Y., Chen, H., et al. 「Vascularized 3D printedscaffolds for promoting boneregeneration.」Biomaterials（2019）：97-110.

心臟瓣膜

患有主動脈心臟瓣膜疾病的患者只能進行瓣膜替換手術，目前這種手術缺乏生長和重建的能力，對於兒童患者，他們需要一個能夠生長並且尺寸更小的瓣膜。美國喬治亞理工大學的Michael E. Davis團隊發表文章於Biomaterials,利用生物3D列印技術設計一種仿生心臟瓣膜支架，首先利用高溫生物列印技術沿圓周方向列印PCL，用於模擬瓣膜纖維層，之後製備含有細胞、GelMA、PEGDA的水凝膠支架，將兩者複合。在靜態條件下，多層支架可以增加I型膠原的產生；將該支架安裝在瓣膜環上，在主動脈瓣生理狀態下，支架可生成具有結構代表性的瓣葉，且瓣葉的PCL層可以維持正常的瓣膜功能。


Nachlas, A. L. Y., et al. 「A multilayered valveleaflet promotes cell-laden collagen type I production and aortic valvehemodynamics. 」Biomaterials（2019）：119838.

上普高溫噴頭系統


高溫列印集錦

HA彌散增強型PCL股骨頭支架

水凝膠與高分子複合支架

上普生物3D列印集錦

科幻，

有時離我們很近。

在此，我們特別奉上BioMaker的列印集錦，

讓各位對生物3D列印有更直觀的理解。

往期精選

  1. 生物3D列印路線圖重磅發布 （想了解它的現在與未來，看這一篇就夠了）
  2. TED-Ed | 如何3D列印人體器官？
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相關焦點

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  • 臺灣大學科學家研發出「生物3D列印友好型」生物墨水
    在當前生物醫學領域中，組織工程的作用越來越重要——通過將生物材料(支架)、細胞和生物因子整合，有望實現對生物組織和器官的修復。 　　對於組織工程而言，能否構建滿足一定形狀要求、具有類似細胞外基質特性、能為組織生長提供所需生物環境和力學支撐的三維結構支架，至關重要。
  • 投影式光固化3D列印具有區域強度差異的雙網絡結構
    目前生物3D列印所使用的生物可降解材料大多是脆性或過軟的質地，這限制了他們在組織工程中的應用。美國加州大學聖地牙哥分校的陳紹琛教授團隊發表在「Advanced FunctionMaterials」上的「3D Printing of a Biocompatible Double Network Elastomer with Digital Control of Mechanical Properties」一文中，研究人員採用投影式光固化3D列印技術來構建複雜的聚癸二酸甘油-
  • 中國學者革新3D生物列印，支架孔徑達到細胞水平
    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」。
  • 從墨水出發,顛覆生物3D列印
    /公司總裁：Erik Gatenholm核心技術：首個通用型的生物3D列印墨水生物3D列印是醫學領域非常熱門的話題，而其中的問題之一是對可用於生物列印的材料的研究進展緩慢。而現在，瑞典的初創公司CELLINK研發出世界上首個通用型的生物3D列印墨水，這種墨水具有良好的生物相容性和列印保真度，使列印複雜結構更簡單，可適用於多種應用。該公司的目標是減少研究機構或製藥公司在列印人體組織時所花費的時間和經費。目前，該公司正在尋求投資以實現進一步發展。
  • 迷之列印:全方位解讀生物3D列印產業
    3D生物列印是一個非常交叉和融合的學科，它集合了機械、材料、細胞等多種相關領域的技術 ，是一種利用3D增材製造原理，利用生物材料、生長因子、細胞等活性材料，以重建人體組織和器官為目標的跨學科、跨領域的新型再生醫學工程技術。
  • 基於3D列印的可生物降解材料人造牙應用
    近年來，人們不斷探索和研究聚羥基烷酸酯的特性，以發展其在生物醫學領域的應用，如縫合、心血管補片、創面敷料、引導組織修復/再生裝置、組織工程支架等。3.2 PHB 的特徵和屬性P(3HB)是PHA基團中最簡單、最普遍的一種，也是PHA聚合物中最早應用於生物醫學領域的一種。
  • 含鎂多孔支架材料的體外抗菌活性和生物相容性
    聚乳酸：是以乳酸為主要原料聚合得到的聚合物，具有良好的生物降解性、生物相容性以及延展性，但其機械強度不足，且降解後會產生酸性代謝產物，限制了其應用範圍，常與其他一種或多種生物材料複合使用，以增強骨生物活性或生物力學強度。
  • 未來器官也可以用3D列印——3D生物列印技術
    ，彈性模量與皮質骨近似，密度低，且具有高耐腐蝕和良好的生物相容性。，一層細胞逐層列印，熱敏膠材料經過溫度的調控後會降解，形成含有細胞的三維結構體。3D細胞列印能夠為再生醫學、組織工程、幹細胞和癌症等生命科學和基礎醫學研究領域提供新的研究工具；為構建和修復組織器官提供新的臨床醫學技術；推動外科修復整形，再生醫學和移植醫學的發展；應用於藥物篩選技術和藥物控釋技術，在藥物開發領域具有廣闊前景。
  • 直接「列印」出骨組織,科學家開發的這款新型生物墨水,厲害了
    3D列印技術不僅能用於工業，在醫學上也有廣泛的應用前景。此前，許多科學家已經在研究利用3D列印技術直接「列印」出人體組織。近日，Akhilesh K. Gaharwar博士，一名副教授，已經開發出一種高度可列印的生物墨水，作為生成解剖級功能組織的平臺。
  • 美國科學家開發新型生物墨水,能直接「列印」出骨組織
    這項技術的一個應用可能是設計針對病人的骨移植，這一領域正引起研究人員和臨床醫生的興趣。通過傳統的治療方法處理骨質缺損和損傷往往是緩慢和昂貴的。Gaharwar說，發展替代骨組織可以為患有關節炎、骨折、牙齒感染和顱面缺陷的病人創造令人興奮的新療法。生物列印技術需要充滿細胞的生物材料，它們可以像液體一樣通過噴嘴流動，但幾乎一沉積下來就會凝固。
  • 生物3D列印高彈性複雜化支架用於高級纖維軟骨組織再生
    生物工程纖維軟骨組織以恢復半月板功能的先進策略是必要的。目前，3D生物列印技術已被用於製造與臨床相關的患者特定的複雜結構，以滿足未滿足的臨床需求。由於半月板組織退變的患者數量增加，關節鏡下半月板部分切除術是最常見的骨科手術之一。到目前為止，由於半月板獨特的拉伸和壓縮特性、變形能力和複雜的微結構，缺乏治療選擇。因此，迫切需要先進的生物工程策略來構建纖維軟骨組織。為了解決生物3D列印環節中，生物墨水在半月板修復手術中的循環壓縮負荷，Joao B.
  • 生物功能化的3D列印多孔複合支架促進兔骨缺損再生
    來自印度理工學院坎普爾分校的Ashok Kumar教授課題組將聚三亞甲基碳酸酯（PTMC）和生物陶瓷共混製作的多孔3D複合支架作為骨移植材料，在支架中填充了大孔低溫凝膠（CG）、並使用骨形態發生蛋白（BMP）和唑來膦酸（ZA）等骨活性因子對支架進行了功能化處理，最後在兩種不同的臨界大小的兔骨缺損模型上進行了體外和體內的性能評估。首先研究人員進行了支架的製備和表徵。
  • 基於水凝膠微粒的直接3D列印仿生細胞球體生長支架
    生物3D列印需要具有剪切稀釋性、適當的可塑強度和快速自愈的生物相容性水凝膠油墨。然而，缺乏理想的生物列印油墨，具有優異的列印性能和高的結構保真度，以及細胞相容性，阻礙了基於擠壓的3D生物列印在組織工程中的發展。
  • 陳根：俄羅斯太空人首次實現，3D列印人體組織
    再生醫學技術與相關行業的蓬勃發展源於背後龐大的需求。而3D列印技術為同時包含有多種細胞、生長因子和生物材料的複雜結構組織和器官的製備提供了可能，能夠解決傳統製造技術的弊端，極大地推動再生醫學的發展。同時，3D列印技術具備可重複性好和效率高等優勢，臨以用潛力強。
  • 生物3D列印GelMA基血管化皮膚
    作者提出構建三維皮膚組織模型的思路：(1)在具有0.4μm孔徑的聚酯多孔膜上列印載有HUVECs的GelMA/海藻酸鹽水凝膠，該結構有利於真皮成纖維細胞與內皮細胞的相互作用以及促進營養物的擴散(形成內部血管網絡)；(2)列印封裝有人真皮成纖維細胞的GelMA水凝膠，通過調節基質硬度影響細胞的生長和功能；(3)通過多次在真皮層上方鋪覆包裹有角質細胞的明膠形成多層的表皮明膠塗層
  • 懸浮生物3D列印：履行生物列印漂浮的承諾
    我們是否能夠改造出適合體內移植的功能組織和器官？3D列印是否可以幫助實現這一目標？在過去的幾十年中，這些問題已經成為組織工程學（TE）領域研究的最前沿，這得益於有關傳統3D列印技術可以適應控制3D空間中高密度細胞群沉積的演示的推動。在不同的技術中，基於擠出的3D列印已被認為是實現TE視覺的最可能技術。