國立臺(tái)灣大學(xué) 徐善慧：天然生物材料與應(yīng)用于生物3D打印技術(shù)的研究

臺(tái)灣大學(xué)醫(yī)療器材研發(fā)中心副主任,、組織工程與3D打印中心主任 徐善慧的《天然生物材料與應(yīng)用于生物3D打印技術(shù)的研究》



丁建東：我們和上午一樣,，還是先把報(bào)告做完一起討論,。下一位是徐善慧老師，她是來自于寶島臺(tái)灣的,，是國立臺(tái)灣大學(xué)的,。我簡單科普一下，臺(tái)灣凡是有國立這樣的,，沒有民辦這樣的醫(yī)學(xué)院,。她本身是臺(tái)大材料工程學(xué)的碩士，徐教授擅長做生物應(yīng)用，她現(xiàn)在是臺(tái)大的醫(yī)療器械研發(fā)中心副主任,，他在3D打印方面有專門的研究,，結(jié)合材料和3D打印。下面我們歡迎徐教授給我們作報(bào)告,！
    徐善慧：謝謝丁教授的介紹,！很高興第二次參加這個(gè)論壇，我目前在臺(tái)大高分子研究所,。
    如果有人聽過我去年的演講的話,，其實(shí)來之前我一直在想一定要講到不一樣的東西，不要讓大家重復(fù)聽到,。所以問了一下我要講什么,，結(jié)果饒經(jīng)理跟我說去年講合成，今年講天然,，但是天然不是我的專長,，但我認(rèn)為這是一個(gè)很好的挑戰(zhàn)。
    我自己是做材料,，所以我會(huì)把重點(diǎn)放在生物3D打印和生物材料,，里面有合成高分子材料和天然材料，它們各有優(yōu)缺點(diǎn),。合成材料強(qiáng)度好,，沒有水性，天然材料有水性,，但需要交流,，可能有毒性。在去年8月27號的時(shí)候,，我曾經(jīng)想過一個(gè)可以水性的合成材料,，大家看到我把“沒有辦法水性”這個(gè)特點(diǎn)，我把它改過來,，寫成可以水性,。我做了6張片的片花，給大家回顧一下,。
    我們用了PU的系統(tǒng)，因?yàn)镻CL diol,，我可以把它變成水性系統(tǒng),，所以它的好處是水性，不會(huì)融于水�,，F(xiàn)在這臺(tái)打印機(jī),，已經(jīng)完全使用太多年了。好不容易弄出水性的性能，大家可以看到它在低溫情況下是可以列印的,。列印出來的東西,，它具有高的彈性，不管是哪種形態(tài),，甚至可以變成管子,，它也比較有彈性。它的一個(gè)好處是在做打印的時(shí)候,，如果是溶劑的系統(tǒng)和高溫的系統(tǒng),，是沒有辦法把生長因子排入。水性系統(tǒng),，是可以排入生長因子,。大家可以看到在3度的空間下，是可以促進(jìn)軟骨化,。我們可以看到把這些干細(xì)胞種進(jìn)去以后,，Sox9是高度的強(qiáng)Col。而且特別是我列印的時(shí)候加一點(diǎn)點(diǎn)的HA,，大家可以看到它的Col 9的現(xiàn)象會(huì)顯著下降,。這個(gè)是列印支架，而支架的一個(gè)很大好處,，因?yàn)樗�是柔軟��,，雖然它卡在那個(gè)位置上。我們做了一些粗淺的兔子軟頭缺損修復(fù)實(shí)驗(yàn),，可以看到加了這個(gè)軟骨以后,，在一個(gè)月以后它的修復(fù)比較良好。
    當(dāng)然剛剛的水性支架,，它是要列印完了之后再把細(xì)胞種進(jìn)去,。把細(xì)胞種進(jìn)去，這是第一個(gè)層次的組織工程,。做下一個(gè)層次,，是希望把細(xì)胞和支架一起打印出來，這是組織工程較高的境界,，我把它叫做“君子莫大乎與人為善”,，就是能夠把細(xì)胞和材料共同印出來。這是用3D打印機(jī)打印出來,，我們可以看到這里有白細(xì)胞,。然后我們用了這個(gè)列印出來的迷你大腦，里面還有神經(jīng)干細(xì)胞,，然后把它植入斑馬魚受損的大腦以后,，可以觀察到它的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)恢復(fù),，也可以發(fā)現(xiàn)之后秘密大腦的存活率增加，如果是腦部損傷,，它經(jīng)過幾天會(huì)死亡,。從影片就可以看出來，受傷的大腦是不會(huì)動(dòng)的,，如果你是一個(gè)損傷,，在6天之后會(huì)死亡。其實(shí)這是上次我跟大家分享過的水性和3D列印,。
    接下來還有什么可以改善的呢,？我們先看第一個(gè)改善方案。早上危教授提過把材料變聰明,，讓它有形狀記憶,。因?yàn)樗�是PU是一個(gè)軟連接，我們在置換這個(gè)軟連接以后,，我們可以讓它有形狀記憶,，一個(gè)卷曲的東西，過一段時(shí)間可以水里面恢復(fù),，它在水里面可以很快恢復(fù),。另外我們還可以繼續(xù)改善它的軟內(nèi)斷，讓它可以穩(wěn)固堆疊,。因?yàn)槎询B實(shí)在是一個(gè)很大的問題,，不過合成的材料，因?yàn)樗�的�?qiáng)度比較高,，所以它堆疊幾層是沒有問題的,。第三個(gè)是什么？從這里我要開始切入今天的主題——天然高分子,。我們希望能夠借用天然高分子比較高的生物相容性,，以增強(qiáng)它的列印特性。這是我們在天然里面加一些大豆蛋白（SP）,，然后列印出來,。下面這個(gè)圖是我做小角度的X光照射，可以看到如果是PU的話,，你會(huì)看到一個(gè)HA,，我們就發(fā)現(xiàn)大豆蛋白和PU之間有一些交互作用，會(huì)讓它產(chǎn)生扭曲結(jié)構(gòu),，也讓它的列印變得更加容易,。但是這里有一個(gè)很大的問題，什么樣的問題呢,？雖然細(xì)胞在里面加了大豆蛋白以后,，因?yàn)樗�的生物�?huì)長得很好。其實(shí)今天這里徐總也提到這種影響很重要,。天然高分子有一個(gè)很大的好處,，就是它的透明�,？墒呛铣筛叻肿蛹由洗蠖挂院�,，其實(shí)大家可以看到它是不透明的。雖然天然的組織是不透明的,，但是這是一個(gè)很大的麻煩,。所以這個(gè)細(xì)胞如果列印很厚，我還要找很久很久,，不知道它到底是不是細(xì)胞,，因?yàn)橹Ъ鼙旧硪矔?huì)有一些外掛，所以眾里尋他千百度,，不知道那個(gè)細(xì)胞是不是細(xì)胞,，所以天然生物材料是非常重要的。
    接下來我就要進(jìn)入今天的主題,，就是天然生物材料,、3D打印。
    天然生物材料,、3D打印有什么好處呢,？是天然構(gòu)成，在過去多年的文獻(xiàn)里面都有列印,，這個(gè)列印就可以很好地區(qū)分生物相容性是否好,。我自己在過去30年的研究里面，其實(shí)天然高分子我做得不多,，我只是把它拿來當(dāng)做一個(gè)工具使用,，因?yàn)槲蚁矚g做合成。但是天然的高分子,，我有一點(diǎn)點(diǎn)小小的經(jīng)驗(yàn),，我認(rèn)為這個(gè)可以結(jié)合生物3D打印。就是什么,？列印單顆細(xì)胞,，我希望能夠列印打印細(xì)胞群，一群的細(xì)胞,。
    我首先跟大家介紹一下,，這是我們幾年前的發(fā)現(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)把界面干細(xì)胞培養(yǎng)在殼聚糖或者殼聚糖酸感知的玻尿酸上面,，這些細(xì)胞會(huì)自動(dòng)組裝,，然后細(xì)胞球,。我們認(rèn)為這個(gè)過程是模仿發(fā)育生物學(xué)，所以它除了可以讓干性提升,，干性提升是所有全球的細(xì)胞都發(fā)生的,。
    我們這個(gè)成球跟別人的球有什么不一樣？大家可以看到它是動(dòng)態(tài)成球,，它是先貼再拉,，互相拉扯，然后再把它拉成球,。所以我把這個(gè)過程取了一個(gè)名字,，叫“CellAssembly”，就是拉來拉去,，就是組裝成一個(gè)細(xì)胞球,。
    這個(gè)細(xì)胞球還有一個(gè)特點(diǎn)，就是因?yàn)樗�是拉來拉去拉成球��,，所以跟其他成球方式不一樣,，我們可以�?biāo)定細(xì)胞，或者把我們要的的植體基因趁這個(gè)過程植入到里面,。因?yàn)槲以谶@個(gè)球的時(shí)候做了一個(gè)實(shí)驗(yàn),，就是我放了一個(gè)SHI、Foxd3,，所以我覺得Foxd3很重要,。其實(shí)我找文獻(xiàn)的時(shí)候找到中國有一個(gè)平教授，我就寫郵箱給他跟他要Foxd3,，他就寄給我,。然后我就做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)球可以量身訂作,，拿這個(gè)細(xì)胞,，基于這個(gè)成球的過程，把Foxd3不轉(zhuǎn)進(jìn)去以后,，它就會(huì)變成類神經(jīng),，我們可以在中樞神經(jīng)里面可以看到，它會(huì)讓斑馬魚的中樞神經(jīng)受損,，原來用酒精去把整個(gè)中樞神經(jīng)破壞,，但如果是這樣的一個(gè)細(xì)胞球的話，可以讓中樞神經(jīng)功能恢復(fù),。
    既然細(xì)胞球有這么多的優(yōu)勢,，我們花很多時(shí)間去把這個(gè)平臺(tái)建立，讓我們再生醫(yī)學(xué)使用,，那接下來,，我這個(gè)題目是《天然生物材料的3D打印》,，所以我們要回歸，我們用了哪些天然生物材料,？第一個(gè)想到的是殼聚糖,，因?yàn)闅ぞ厶强梢宰尲?xì)胞長得很好。所以我們就用幾滴糖融在醋酸里面,，然后用3D打印列印出來的支架，也發(fā)表在2012年,。當(dāng)然發(fā)表之后有一個(gè)問題,，因?yàn)樗�是醋酸，沒有辦法高細(xì)胞列印,。幸運(yùn)的是在2013年,，在一個(gè)年終會(huì)議的時(shí)候，有一位教授知道它里面有一個(gè)殼聚糖的CF HYDROGNL,，它這個(gè)CF HYDROGNL就是運(yùn)用Gelatin,，因?yàn)檫@個(gè)不需要酸溶，如果你直接讓它打印,，它是會(huì)溶掉,。這個(gè)時(shí)候他做了一個(gè)PEG，然后做成為了這個(gè)凝膠,，我們在第一期工作里面證明它可以促進(jìn)神經(jīng)的修復(fù),。在去年的時(shí)候，我們又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)一件事情,，我們把這個(gè)神經(jīng)修復(fù)的效果水凝膠,，發(fā)現(xiàn)殼聚糖并不能促進(jìn)血管的再生。而且待會(huì)兒會(huì)證明殼聚糖會(huì)抑制癌癥,，所以它也能抑制細(xì)胞的再生,。但是我們只加了一點(diǎn)點(diǎn)天然的Fibrinogen的東西，加了0.002%,，加進(jìn)去以后它就變成了新凝膠,。這個(gè)膠，可以具有血管修復(fù)效果,。但是可以看到,，如果是正常的LG，它不會(huì)修復(fù),，如果是加一點(diǎn)凝膠,，它的修復(fù)效果更高。它這個(gè)自修復(fù)很快,，所以它是一顆一顆的,。因?yàn)樗�自修�?fù)效果更好,，所以它很快就變成了這樣，我們認(rèn)為這是互穿網(wǎng)路造成的,，我們也證明了這應(yīng)該是互穿網(wǎng)路,，因?yàn)槲覀冇肈FC去證明它的分化和變化。然后我們把剛剛加進(jìn)去的順序變化了之后,，它不會(huì)形成互穿,，因?yàn)榛ゴ┚W(wǎng)路要搭配形成，一個(gè)形成了這個(gè)網(wǎng)路,，另外一個(gè)穿不進(jìn)去,。我們用這個(gè)機(jī)器證明它是互穿網(wǎng)路，造成了它更好的一些特性,。我們也發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)的細(xì)胞在種到這個(gè)膠里面,，它就會(huì)成管狀的形態(tài)。我們進(jìn)一步把它注射在斑馬魚,，這個(gè)斑馬魚是一個(gè)基因改造的斑馬魚,，它所有的血管都會(huì)有綠色的熒光。這個(gè)是一般的PDS打進(jìn)去,，這是正常的血管,，在腹部這邊。如果打上水凝膠,，會(huì)發(fā)現(xiàn)這些血管變少了,。但是如果把新的這個(gè)加一點(diǎn)，打到斑馬魚的腹部,，發(fā)現(xiàn)這邊有大量的血管,。我們又進(jìn)一步用了左下肢缺陷，就是把這個(gè)造成缺陷,，就這樣打進(jìn)去之后,，就發(fā)現(xiàn)打CF HYDROGNL這一組，老鼠缺血的狀況改善了,。
    所以基于剛才的研究,，我們認(rèn)為殼聚糖這一類的東西，應(yīng)該是一個(gè)好的生物3D打印材料,。
    我這邊用一個(gè)例子說明我們怎么樣打印細(xì)胞球,。剛剛的細(xì)胞球的好處是，它可以把N種細(xì)胞自組裝起來,。自組裝的時(shí)候,，會(huì)因?yàn)橄旅娴幕�材有變化，造成各種不同層次的特性，這樣就可以模仿發(fā)布生物學(xué)上細(xì)胞與細(xì)胞之間的交互作用,。以左邊這個(gè)圖來看,，可以看到以這個(gè)系統(tǒng)來說，缺氧區(qū)域移動(dòng),，我們認(rèn)為這會(huì)有利于外來血管的形成,，這種形成全部是CULTURED，就是核核結(jié)構(gòu),，然后神經(jīng)干細(xì)胞在外面,、內(nèi)皮細(xì)胞在里面的細(xì)胞球。
    接下來,，我們用殼聚糖和這個(gè)Gelatin都進(jìn)行了列印,。這個(gè)Gelatin是我跟另外一位教授，這個(gè)匯報(bào)在我前面,，有很多人用到。但是它這個(gè)要列印,，需要一點(diǎn)技巧,，因?yàn)樗�固定時(shí)間就會(huì)交融，你在交融之前就要把它列印出來,。我們有試過,，不管是Gelatin還是CF HYDROGNL，它都可以列印出來,。當(dāng)然如果要列印多層的話,，我覺得它的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，是沒有像合成材料那么好,。
    我們也把我們的細(xì)胞球跟它共列印之后,，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過打印的細(xì)胞球，它的結(jié)構(gòu)還在,，并不會(huì)影響它的增生能力,。
    當(dāng)然，在未來我們希望能夠做多細(xì)胞/多材料血管網(wǎng)路生物3D打印列印,。剛才也提到?jīng)]有血管,，它不可能長期生活。我們在今天也運(yùn)用一個(gè)材料,，這個(gè)材料都可以買到,，它對糖類敏感，可以注射出小管,。我們可以怎樣,？我們可以在任何一個(gè)材料里面，我們?nèi)绻�看原先的�?gòu)想的話,，這是哈佛杰尼夫畫的一個(gè)圖,，他認(rèn)為不同細(xì)胞列印,，有些是要做成中空，中空的水凝膠里面長血管,。我們也可以用這種合成的方法,，來讓膠里面長出血管，這是我們在最近發(fā)表的,，可以看到用對糖敏感的水凝膠,，中空的CELL LNK就會(huì)形成，因?yàn)樗鼘μ敲舾�,，然后里面就長出微血管,。所以不管是合成或天然的，它都可能會(huì)長血管,。如果是合成的話,，就必須要把它列印出微小的管路，讓它可以長血管,。
    接下來給大家看一下神經(jīng)干細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的核殼結(jié)構(gòu)的細(xì)胞球,，放在Gelatin里面去打印出來的結(jié)果，可以看到在長期培養(yǎng)之下,，居然內(nèi)皮細(xì)胞好像要伸出來,，要長微血管。但是,，因?yàn)樗�有天然材料作為一個(gè)球來講,，所以這好像又要出來又不出來又要躲回去，然后Gelatin分解嗲之前,，它還沒有長出來,。所以，我們認(rèn)為它有長血管的潛力,，但是目前我們還沒有看到它的生長,。這個(gè)是混球，這個(gè)是罵人的“混球”,，它具有血管新生的潛能,，因?yàn)樗�所有跟血管新生相關(guān)的基因?qū)Ь�都是增加的，在這個(gè)打印的細(xì)胞球里面,。
    所以我們現(xiàn)在要回到原先的大問題了,，就是合成材料好還是天然的材料好，也為我去年和今年的兩個(gè)不同的題材做一個(gè)小結(jié),。
    因?yàn)槲易约翰皇翘烊桓叻肿拥膶＜�,，所以這是我自己個(gè)人的意見。
    所以一個(gè)生物3D打印墨水必須做到什么？根據(jù)幾年的研究,，我有個(gè)人一點(diǎn)點(diǎn)小小的淺見,。剛剛雜七雜八跟大家分享了很多，所以我在這邊斗膽借用一千年前北宋哲學(xué)家張橫渠先生的名句,，來跟大家講,。第一，它必須在天底之間頂出一個(gè)穩(wěn)固的3D空間,。如果是用合成和天然材料和比的話,，合成好像更勝一籌，因?yàn)樗�的Mechanical比較好,。第二個(gè)條件是什么,？就是它必須要讓每一個(gè)細(xì)胞活得好好的，所以它必須要很好的生物相容性,，這里面牽涉到養(yǎng)分,、氧氣的代謝，以這個(gè)層次來講的話,，天然材料好像又更勝一籌,。第三個(gè)條件是什么？除了讓細(xì)胞存活,，你必須要讓細(xì)胞在長期,，當(dāng)水凝膠分解之后它能夠存活,，而且順利地工作,。以剛剛來講，它必須要能夠做代謝,。在這個(gè)層次來講的話,，合成和天然很難說誰好，因?yàn)楹铣傻母叻肿颖容^容易設(shè)計(jì)它的DEGRADATION,。如果以growht來講,，當(dāng)然是天然比較好。所以這邊我要打一個(gè)問號,；所以第四個(gè)就是要有血管網(wǎng)絡(luò),，一定要開通四通五達(dá)的血管網(wǎng)絡(luò)，才能讓這個(gè)列印出來的組織永遠(yuǎn)存在那里,。我認(rèn)為這個(gè)必須要借用合成和高分子的共同好處,。
    所以我簡單做一個(gè)小結(jié)。我認(rèn)為在未來,，我們可以通過天然高分子和合成高分子的結(jié)合,，天然高分子有相容的好處，合成高分子有能堆疊的優(yōu)點(diǎn)，然后我們可以運(yùn)用細(xì)胞自組裝或者利用多種細(xì)胞的列印,，Cell A,、Cell B模擬發(fā)育生物學(xué)的先進(jìn)性，讓它們能夠結(jié)合起來,。
    相信通過這些多元元素的攜手合作,，必定能夠共創(chuàng)生物3D列印的大未來，以造福人類,，創(chuàng)造20年高質(zhì)量的生活,，70歲到90歲，謝謝,！