3D擠壓生物打印技術能否在未來實現(xiàn)器官移植？

導讀：增材制造在過去30年里取得了極大的進步,，現(xiàn)在正被廣泛用于醫(yī)療領域�,，F(xiàn)在，對使用3D打印技術制造組織和器官的研究越來越多,，這一領域被稱為3D生物打印,。這種趨勢是器官移植的需求和捐贈者的可用性嚴重不匹配產(chǎn)生的。那么3D生物打印的前景如何,？優(yōu)勢與劣勢有什么呢,？

南極熊獲悉，在2022年5月,，來自倫敦大學的研究者們提出了“3D擠壓生物打印技術能否在未來成為器官移植的真正替代品,？”的疑問，引發(fā)人們的深思,，他們將他們的關于此問題的研究成果發(fā)表在了《Annals of 3D Printed Medicine》,，研究人員主要研究了基于擠壓技術的3D生物打印，并給出了其優(yōu)勢和劣勢,，同時回顧了打印組織和器官的工作,，特別整理了制造皮膚、肝臟,、心臟和血管的例子,。研究人員認為，鑒于該領域已經(jīng)取得的巨大進展,，通過3D生物打印技術創(chuàng)造出用于移植的全功能組織和器官未來可期,！

在他們的研究中，主要探索和分析了以下內(nèi)容：
●3D生物打印有可能解決器官短缺的問題
●擠壓式生物打印最有可能創(chuàng)造出功能性的器官
●擠壓式生物打印的主要優(yōu)點和缺點
●有關器官和血管的生物打印中存在的關鍵問題
●3D生物打印帶來的倫理問題





△3D生物打印過程

擠壓生物3D打印的優(yōu)勢與劣勢

1.優(yōu)勢
與其他類型的生物打印相比,，擠壓式3D打印兼容性很強,。它可以連續(xù)擠出生物墨水，在快速制造過程中可以制造具有結(jié)構完整性的產(chǎn)品,。擠壓式生物打印的機械系統(tǒng)屬于直接過程控制，可以促使生物墨水能夠以高精度被擠出,，從而保證打印部件的精度和機械性能,。 使得3D器官的缺陷更少,，精度更高，在設計復雜性方面的限制更少,。 擠壓生物打印也可以使用高粘度生物材料,，包括水凝膠、細胞膜和具有高細胞密度的高粘性生物材料,，解決自支撐問題,，進一步加強了其在再生醫(yī)學中的潛力。這種生物打印系統(tǒng)的成本更低,，有助于人們研究和開發(fā),，這也支持了它在未來可用于大規(guī)模生產(chǎn)人體器官的想法。


△基于擠壓的生物3D打印

2.劣勢
擠壓式3D打印是所有生物打印方式中分辨率最低的（約100微米）,，因此限制了3D打印組織的功能,。擠壓式生物打印的分辨率可以通過減少噴嘴的尺寸來提高，但當噴嘴直徑小于150微米時就會發(fā)生堵塞,，并且增加了生物墨水沉積的壓力,，這意味著對細胞會施加更高的剪切應力，從而大大損害了細胞,。另一個降低細胞活力和增加細胞損傷風險的因素是使用高粘性生物墨水,。基于擠壓的生物打印只與高粘性生物材料兼容,。盡管高粘度的生物匯具有提供高硬度的優(yōu)勢,，從而允許更大的機械穩(wěn)定性，但它們會導致低 "可打印性"（即剪切稀化行為差）,。打印階段后的細胞活力可能在45%到90%之間,，這取決于生物墨水的粘度、細胞濃度和噴嘴直徑,。因此,，與擠壓式生物打印的主要挑戰(zhàn)是在使用高粘度的生物墨水和保持高打印能力和細胞活力之間取得平衡。

盡管3D擠壓生物打印有很多局限性,，但它仍然被認為是最有效的生物打印方式,，至今已被用于打印許多3D組織（如肝臟和心臟組織）），如下圖,，它還創(chuàng)造了皮膚等器官,。


△3D打印皮膚與人的皮膚的對比

擠壓式3D生物打印在未來是否能夠創(chuàng)造出功能齊全的人體器官？
毫無疑問,，3D擠壓生物打印是一項開創(chuàng)性的技術,，它已經(jīng)創(chuàng)造了人類活體組織和器官，其未來潛力巨大。然而,，問題是它在未來是否能夠創(chuàng)造出功能齊全的人體器官,？在過去的40年里，3D打印已經(jīng)取得了長足的進步,；例如,，3D打印機的成本已經(jīng)大幅下降。 此外,，在過去27年里,，3D打印市場的價值以26.2%的復合年增長率大幅增長。2017年,，該行業(yè)的總價值為73億美元,，預計到2021年將達到108.1億美元。我們看到3D生物打印市場的擴張和發(fā)展也有類似的趨勢,；2014年,，與3D生物打印和生物打印產(chǎn)品直接相關的企業(yè)數(shù)量超過了30家。Organovo和Invetech這兩家公司還在2009年設計了第一批商用3D生物打印機之一,。雖然此領域迅速發(fā)展,，但擠壓式3D生物打印還面臨著一些問題：

●生物墨水的問題：材料粘度過高
●缺少將血管網(wǎng)絡整合到3D打印器官中的方法
●細胞來源尚不清楚

倫理問題
細胞的來源需要仔細考慮，就干細胞而言,，其來源的不同,，會出現(xiàn)重大的倫理問題。

●一些干細胞來自胚胎或胎兒,，分別被稱為人類胚胎生殖細胞和人類胎兒細胞,。這些細胞來自人工流產(chǎn)后的胎兒，在某些情況下,，婦女僅僅為了這個目的而懷孕,。
●另一種選擇是使用異種細胞，這可能會引起某些反對使用動物細胞的宗教患者的倫理問題,，以及有關個人身份的社會心理問題,。幾乎所有涉及生物打印的研究都使用在胎牛血清（FBS）中培養(yǎng)的細胞。
●此外,，目前使用的大多數(shù)生物材料中都含有動物成分,，如膠原蛋白，以增強細胞的粘附性和活力,。

因此,，有人提出了一個被稱為 "清潔生物打印 "的術語，作為定義不使用動物來源成分的生物打印策略的一種手段,。這些方法包括使用不含F(xiàn)BS的介質(zhì),，如人血小板裂解液和人血清白蛋白,。此外，膠原蛋白是生物材料中常用的成分,，大多是從牛,、豬或嚙齒動物中提取的。一種替代方法包括生產(chǎn)重組人膠原蛋白,。然而，這個過程存在多種問題,，包括創(chuàng)建全長膠原蛋白的挑戰(zhàn),，以及生產(chǎn)類似于本地分子的膠原蛋白。

在使用病人自己的細胞不可行的情況下,，會使用捐贈細胞,，這也會產(chǎn)生一些問題，比如捐贈者不給予知情同意或被脅迫提供異體細胞,。移植的器官理論上屬于誰,，也變得不清楚。是接受者,、捐贈者,、實施手術的外科醫(yī)生、醫(yī)院,，還是負責制造器官的生物打印公司,？3D生物打印器官相關的知識產(chǎn)權也會存在問題 。此外,，還存在關于研究的問題,，包括如何資助研究，以及研究公司對其研究結(jié)果的透明度如何,？,。例如，公司是否有義務與其他團體分享他們的研究以促進發(fā)展,？ 因此,，需要強有力的指導方針和普遍的倫理架構來克服3D生物打印器官移植所產(chǎn)生的許多復雜的倫理問題。

原文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.stlm.2022.100066