四川大學《Science Advances》：直接在生物體內進行的無創(chuàng)生物打印

來源： 江蘇激光產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

導讀：3D打印技術在臨床醫(yī)療上具有十分重要的潛力和應用。目前實現(xiàn)的生物3D打印基本都是體外打印，然后通過手術進行臨床植入。所以當今對于體內3D打印作為植入的器件制品還是受到非常大的限制的。實現(xiàn)體內或者受到創(chuàng)傷的部位進行原位打印的案例也未見報道。

在以前都是需要暴露的區(qū)域在才能實現(xiàn)打印。這里，來自四川大學的研究學者們報道 了采用近紅外光聚合作用為基礎的3D打印技術實現(xiàn)了體內組織重建的無創(chuàng)傷3D打印。在這一技術 中，通過一種數(shù)字微鏡器件將近紅外激光調制成定制的模式進行打印，同時通過單體溶液聚合實現(xiàn)空間動態(tài)的投影打印。通過在體外的近紅外激光輻射，皮下注射的生物墨水可以實現(xiàn)在定制化的組織重建處進行原位無創(chuàng)打印。這一新技術可以不用通過手術植入的過程，一個個性化的耳狀組織結構和一個老鼠的載細胞共形支架組織修復的案例采用無創(chuàng)體內生物打印進行了驗證。這一工作證明體內創(chuàng)3D打印是可行的。

前幾年，四川大學康裕建將3D生物打印血管植入恒河猴體內實驗成功的消息引發(fā)業(yè)內震動。現(xiàn)在，四川大學在生物打印上又取得新進展，開創(chuàng)了體內無創(chuàng)生物打印，這一成果發(fā)表在近期出版的頂刊《Sciecne Advances》上。

圖1體內無創(chuàng)生物3D打印示意圖

體內無創(chuàng)生物打印的基本原理
如圖1所示，數(shù)字化的個性化的CAD模型首先輸送給電腦控制的DMD生物芯片。一個980nm的光板通過光學鏡片進行照射，生物墨水上的組織通過一個體內活體組織制造的通道無創(chuàng)的輸送到體內。生物墨水包括一個納米的催化劑實現(xiàn)將近紅外激光轉換成365nm波長的光，金額熱利用這一波長為365納米的光來進行單體聚合。

眾所周知，3D打印是一種先進的制造技術，在醫(yī)療行業(yè)應用中用于制造個性化和復雜結構方面具有無可比擬的優(yōu)勢。生物打印，即采用含細胞的生物墨水進行3D打印組織和器官還存在一定的障礙，但這一領域的突破在醫(yī)療行業(yè)具有十分重要的潛在應用，尤其對于組織再生醫(yī)學意義非常巨大。如今，通常所使用的生物3D打印機主要有噴墨打印、擠壓印刷、光輔助印刷以及激光直寫等打印技術。在當今，臨床3D打印的應用主要是采用手術進行植入使用或者在暴露在外的創(chuàng)傷的位置可以實現(xiàn)原位打印。然而，有很多時候需要盡量減少臨床手術和盡量不進行或少進行創(chuàng)傷處理。如在皮膚內部的一個傷害，采用創(chuàng)傷手術會破壞周圍的組織，造成二次傷害。如整形手術中，無創(chuàng)的手術是非常重要且是最為理想的。這些重要的臨床需求在采用當前的3D打印技術是不能滿足應用的。從而促使我們來發(fā)展一種無創(chuàng)的體內3D打印技術，從而可以實現(xiàn)無創(chuàng)傷的制造組織全覆蓋的生物墨水 打印個性化的產品，包括原位打印活體組織。

采用數(shù)字光處理技術(DLP)生物3D打印技術，光輔助印刷技術，在最近受到廣泛的關注，這是因為在打印后的細胞活性能力比較高，同時還具有非常高的打印速度和打印分辨率。如今，該技術已經用來進行多組織的重建或修復，如脊髓、外周神經、血管損傷等等。傳統(tǒng)上，經常采用紫外或藍光利用光聚合作用進行生物打印 。然而，采用紫外光或藍光很難實現(xiàn)無創(chuàng)制造打印，這是因為這兩種光均 具有非常差的批復穿透能力。近紅外光可以穿透的皮膚比較深并且可以用來控制藥物的釋放、光動力治療、活體成像、三維圖像可視化、活體光遺傳學等。而且，同紫外光或藍光相類似，近紅外光具有潛在的引發(fā)光聚合的作用。

近紅外光誘導作用可以實現(xiàn)體內制造的轉換。近紅外誘導的精確控制所實現(xiàn)的光聚合作用可以促使體內組織全覆蓋的生物墨水進行無創(chuàng)傷制造，利用這一特性從而可以進行潛在的臨床或醫(yī)療研究。在這里，通過輸入CAD模型，數(shù)值化的近紅外激光通過連接得到數(shù)字化的微鏡器件生物芯片不斷的產生并且及時預測無創(chuàng)打印，通過注射的生物墨水 層層在空間進行光聚合作用而實現(xiàn)打印。這無需臨床手術，可以實現(xiàn)人體個性化的活體組織重建。這一工作為3D打印牙就和醫(yī)療領域中的無創(chuàng)上體內打印開創(chuàng)的新的道路。

圖2 納米催化劑的表征

圖3 采用DNP技術的在生物體外進行的3D生物打印細胞的重建

圖4 在生物體內進行的采用DNP技術的體內3D打印無細胞的重建

圖5 采用DNP打印技術進行無損3 D打印 耳狀組織

圖解：(A) 正常的耳朵的圖像. (B) A的鏡像. (C) B圖優(yōu)化后的耳朵輪廓). (D)采用DNP技術在不破壞批復的前提下進行耳朵重建后的圖像標尺為 2 mm. (E) 體內生物打印后活體/死的耳朵重建后7天觀察得到的 圖像 ，標尺為2 mm. (F)采用DNP技術進行無損3D生物打印耳朵形狀的重建，實驗時采用 皮下注射對BALB/c胸腺裸鼠進行打印, 標尺為5 mm. (G) 1個月之后生物打印耳朵形狀的重建后的圖像，標尺為 5 mm. (H) H&E 和 (I) 膠原蛋白Ⅰ型免疫染色法11月之后的找回結果圖，標尺為, 50 μm.

圖6v采用DNP技術對肌肉缺陷進行無創(chuàng)傷3D生物打印共形的的ASC-梯形支架

圖解：(A)肌肉缺陷修復的共形的的ASC-梯形支架的示意圖；(B) DNP打印的受傷區(qū)域愈合和可控打印的對比；標尺為5mm； (C) 肌肉受傷區(qū)域在10天后的閉合百分比 P< 0.01, n = 5. (D) 治療后10天對肌肉愈合的H&E 組織學分析結果，標尺為 50 μm.

生物3D打印市場背景：根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，2012年全球心腦血管疾病患病人數(shù)已經超過17億人，占到了全球人口的四分之一。“現(xiàn)在從全球來看，每年至少有一億人需要這樣的技術。”康裕建稱，在未來的三到五年內，將會應用于人體。

生物打印的現(xiàn)狀：處于研發(fā)階段，盈利尚需時日
醫(yī)療也是3D打印應用的一個重要領域。用3D打印人體器官的前景非常令人期待，不過目前基本都在研究階段，即便向3D打印義齒離大規(guī)模應用也還有一段距離。

倫敦機械工程師協(xié)會(Institution of Mechanical Engineers)醫(yī)療保健主管海倫•米斯(Helen Meese)表示，估計至少要20年時間才能將心臟或腎臟等更復雜的3D打印器官移植到人類病患體內。

以生物3D打印人體組織的領先公司Organovo為例，該公司打印第一個全細胞工程人體動脈，首次將生物打印的組織植入活體（動物）體內，打印出具有全部生物活性和功能的人體肝臟組織，今年9月還推出了3D打印人類腎組織產品，并提供商業(yè)服務。

加州大學洛杉磯分校專業(yè)從事組織工程和生物打印的生物工程教授Ali Khademhosseini和他的團隊開發(fā)了一種新的創(chuàng)新技術，用于生物打印模擬復雜血管網和管道的管狀結構。這項突破性的研究最近發(fā)表在“ 先進材料 ”雜志上，可以用于植入或藥物測試的組織生物打印。

參考資料：36氪、anet3d.cn等

文章來源：
Noninvasive in vivo 3D bioprinting，Yuwen Chen, Jiumeng Zhang,Xuan Liu,,Shuai Wang, Jie Tao, Yulan Huang, Wenbi Wu, Yang Li, Kai Zhou,Xiawei Wei, Shaochen Chen, Xiang Li, Xuewen Xu, Ludwig Cardon, Zhiyong Qian,†Maling Gou,Science Advances 03 Jun 2020:Vol. 6, no. 23, eaba7406，DOI: 10.1126/sciadv.aba7406