一文看懂生物3D打印技術(shù)如何構(gòu)建強度高,、生物相容性好的組織支架

來源：上普生物

導(dǎo)讀：生物3D打印領(lǐng)域不斷發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于單純基于水凝膠類材料的組織構(gòu)建,。高溫熔融生物打印技術(shù)的出現(xiàn)讓我們對高強度,、生物相容性好的組織器官打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(shù)和未來的發(fā)展空間,。

生物3D打印的進展
生物3D打印技術(shù)以細胞、蛋白質(zhì),、生物材料等作為構(gòu)造單元,，構(gòu)建生物學(xué)模型、生命系統(tǒng)和治療產(chǎn)品,。由于其可量身定制性,，結(jié)構(gòu)和孔隙可控性以及可復(fù)合多種材料等特性受到了研究人員的廣泛關(guān)注，是目前最具潛力實現(xiàn)人體組織及器官打印的技術(shù),。

2019年,，生物3D打印技術(shù)全方位爆發(fā)，如美國萊斯大學(xué)發(fā)表了生物3D打印的第一篇Science,，利用高精度的光刻技術(shù)提供了復(fù)雜的血管化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法,，該方法使得復(fù)雜組織器官的構(gòu)建成為可能�,？�耐基梅隆大學(xué)去年同樣在Science發(fā)表文章,，利用懸浮膠作為打印支撐體，高精度的打印了心臟瓣膜及心臟等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，打印的心室具有同步收縮,。
當(dāng)前技術(shù)的局限性
雖然行業(yè)發(fā)展迅速,，但當(dāng)前的技術(shù)還有諸多的局限性：

首先，人體的骨骼,、關(guān)節(jié),、肌肉等對生物力學(xué)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(shù)（Fused Deposition Modeling，熔融沉積）這一常見的3D打印技術(shù)構(gòu)建,。然而,，F(xiàn)DM打印工藝在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用上有如下幾個問題：

• 難以保證潔凈度
• 工藝常用的的線型材料往往不是醫(yī)用級，無法進行可植入性實驗
• 無法添加輔助材料,，以調(diào)節(jié)支架性能
• 基于FDM工藝的3D打印機無法實現(xiàn)高分子材料與水凝膠類材料復(fù)合打印,。
  

高溫熔融復(fù)合打印技術(shù)
今天帶領(lǐng)大家了解一下高溫熔融復(fù)合打印技術(shù)，該技術(shù)是基于傳統(tǒng)FDM技術(shù)衍生出的可以應(yīng)用于生物3D打印的工藝技術(shù),。高溫熔融復(fù)合打印技術(shù)將顆粒狀或其他形態(tài)的醫(yī)用級生物高分子材料進行高溫熔融,，噴頭按照設(shè)計軌跡運動，同時將熔化的材料擠出并迅速冷卻成型,，通過材料逐層推擠形成最終的成品,。這樣的技術(shù)使得打印材料可以不局限于一種，而是可以混合多種材料,，以調(diào)節(jié)支架的力學(xué)性能,，并且利用多材料生物打印技術(shù)，可以實現(xiàn)高分子材料與水凝膠類材料復(fù)合打印

目前在高溫熔融復(fù)合打印技術(shù)中常用的生物高分子材料包括聚己內(nèi)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批準,，是生物3D打印支架的理想材料,。

應(yīng)用案例
高溫熔融復(fù)合打印技術(shù)讓更多樣的組織器官構(gòu)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(xué)醫(yī)學(xué)院Anthony Atala研究團隊在Nature Biotechnology發(fā)表文章,，利用多噴頭生物3D打印系統(tǒng),，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打印噴頭,，通過模型處理軟件設(shè)計各噴頭打印路徑,，支架打印完成后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(xué)強度的同時也能提供細胞所需的養(yǎng)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(nèi)，2個月后支架依舊保持原有結(jié)構(gòu),，且已經(jīng)形成軟骨組織和血管系統(tǒng),，這一結(jié)果表明，該打印方案通過結(jié)合生物學(xué)原理融入微通道,，能夠為細胞提供各必需營養(yǎng)物質(zhì),，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，利用高溫打印和水凝膠打印的多噴頭生物打印技術(shù),，構(gòu)建出肌肉組織,。通過體外實驗及內(nèi)皮細胞標記物的表達和肌電圖，結(jié)果表明細胞在打印后第三天開始沿著PCL縱軸進行伸展,，并具有較高的活性,，7天后觀察到排列整齊的肌管纖維結(jié)構(gòu)。體內(nèi)植入結(jié)果顯示,，整個支架的血管化和肌肉結(jié)構(gòu)對電刺激的反應(yīng)在某種程度上與發(fā)育中的肌肉相一致,，證明構(gòu)建的組織、器官都能夠在2周內(nèi)生成血管,、神經(jīng)系統(tǒng),，且其自身形狀不發(fā)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(fù)支架
在骨修復(fù)支架研究方向,，部分學(xué)者將PCL與無材料結(jié)合打印復(fù)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(jié)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(xué)的GeunHyung Kim團隊通過將PCL與生物玻璃BGS-7結(jié)合，通過高溫熔融打印技術(shù)構(gòu)建骨修復(fù)支架,。力學(xué)測試結(jié)果證明支架的韌性明顯強于單純生物玻璃支架,，且復(fù)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(xué)醫(yī)學(xué)院的鄧廉夫教授團隊于Biomaterials發(fā)表文章,，通過高溫熔融打印技術(shù)構(gòu)建了負載去鐵胺（DFO）的PCL骨修復(fù)支架。體內(nèi)外研究表明構(gòu)建的生物3D打印支架具有優(yōu)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(fù),。同時，該研究設(shè)計通過靶向調(diào)控HIF-1α信號通路,，實現(xiàn)了3D打印支架能夠模擬并促進生理狀態(tài)下骨修復(fù)重建過程中血管化的關(guān)鍵步驟,，為功能化3D打印支架的構(gòu)建提供了新的思路和轉(zhuǎn)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(shù),，目前這種手術(shù)缺乏生長和重建的能力,，對于兒童患者，他們需要一個能夠生長并且尺寸更小的瓣膜,。美國佐治亞理工大學(xué)的Michael E. Davis團隊發(fā)表文章于Biomaterials,利用生物3D打印技術(shù)設(shè)計一種仿生心臟瓣膜支架,，首先利用高溫生物打印技術(shù)沿圓周方向打印PCL，用于模擬瓣膜纖維層,，之后制備含有細胞,、GelMA、PEGDA的水凝膠支架,，將兩者復(fù)合,。在靜態(tài)條件下，多層支架可以增加I型膠原的產(chǎn)生,；將該支架安裝在瓣膜環(huán)上,，在主動脈瓣生理狀態(tài)下，支架可生成具有結(jié)構(gòu)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(tǒng)

上普生物
上普成立于2014年，是一家世界領(lǐng)先的高科技公司,，專門從事3D生物打印和制造先進生物打印產(chǎn)品,。基于20多年的研發(fā)及經(jīng)驗及公司專利技術(shù),，SunP致力于研發(fā)創(chuàng)新的3D生物打印系統(tǒng),，新型生物墨水和先進的3D細胞模型并應(yīng)用于個性化組織工程和癌癥治療，醫(yī)療器械,，藥物測試和新藥研發(fā),。如果您對產(chǎn)品感興趣，請聯(lián)系（王女士,，18511003831）或是發(fā)郵件給（[email protected]）,，期待與您合作。