生物3D打印在組織器官構(gòu)造和體外組織模型開發(fā)的進(jìn)展

來源： EFL生物3D打印與生物制造

生物打印技術(shù)的進(jìn)步推動了復(fù)雜,、功能性組織結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建，可用于組織工程和再生醫(yī)學(xué),。各種方法,，包括擠壓、噴射和基于光的生物打印,，都有其獨特的優(yōu)點和缺點,。多年來，研究人員和行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者在增強(qiáng)生物打印技術(shù)和材料方面取得了重大進(jìn)展,，從而生產(chǎn)出越來越復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu),。盡管取得了這些進(jìn)展,，但在實現(xiàn)臨床相關(guān)的、人體尺度的組織結(jié)構(gòu)方面仍需應(yīng)對挑戰(zhàn),，這對廣泛的臨床轉(zhuǎn)化構(gòu)成了障礙,。

然而，隨著跨學(xué)科研究和合作的不斷進(jìn)行,，該領(lǐng)域正在迅速發(fā)展,，并為個性化醫(yī)療干預(yù)帶來了希望。生物打印技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和改進(jìn)有可能滿足復(fù)雜的醫(yī)療需求,，從而實現(xiàn)功能性,、可移植的組織和器官以及先進(jìn)的體外組織模型的開發(fā)。因此,，來自維克森林大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Anthony Atala團(tuán)隊進(jìn)一步概述了生物3D打印在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景,。相關(guān)論文以“3D Bioprinting for Engineered Tissue Constructs and Patient-Specific Models: Current Progress and Prospects in Clinical Applications”為題于2024年10月18日發(fā)表在《Advanced Materials》上。

圖1 基于細(xì)胞的生物打印的3D打印方法

1.3D打印技術(shù)概述

（1）3D打印技術(shù)
3D打印主要包括擠出式,、噴射式和基于光的生物打印技術(shù),。擠出式生物打印通過擠壓機(jī)械來分配材料，形成連續(xù)的材料流（圖1A）,。它可以處理不同粘度的生物墨水，但可能面臨噴嘴堵塞和較高剪切應(yīng)力的問題,，這需要優(yōu)化打印參數(shù),，如打印速度和材料的動態(tài)粘度。噴射打印通過微噴嘴將低粘度材料按滴分配,，適用于精確的空間定位和梯度控制（圖1B）,。該方法利用熱動力或壓電執(zhí)行器進(jìn)行精確控制，但由于低粘度材料的層疊保真度限制,，需要額外的交聯(lián)時間,。基于光的生物打印使用光（如紫外線）來固化光敏材料,，適合制造復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)（（圖1C））,。這種方法需要使用具有較低粘度的光敏材料來減少z軸層疊時的拖拽效應(yīng)，但也要注意選擇合適的光源和材料以避免對細(xì)胞造成損傷,。

（2）先進(jìn)的生物打印技術(shù)
為解決傳統(tǒng)生物3D打印技術(shù)的限制,，逐漸發(fā)展了的更先進(jìn)生物打印技術(shù)。嵌入式打印允許在支持浴中打印,，使得可以創(chuàng)建更精細(xì)的結(jié)構(gòu)而無需犧牲層（圖1D）,。利用臨時、可逆轉(zhuǎn)的支持材料（如明膠,、藻酸鹽,、Carbopol等），打印后通過環(huán)境變化釋放最終結(jié)構(gòu)。珠噴射打印通過無噴嘴的噴射方式,，利用空氣微流體學(xué)在高通量下定位含有細(xì)胞的Matrigel珠子（圖1E）,。這種方法可以重建復(fù)雜的組織，如肌肉和皮膚,，并能進(jìn)行毛囊再生,。另外，體積打印在保持高細(xì)胞活性的同時,，可以迅速打印出大尺寸的組織構(gòu)建（圖1F）,。

（3）生物墨水
隨后，作者詳細(xì)介紹了生物墨水（Bioinks）的種類,、特性以及在3D生物打印中的應(yīng)用（圖2）,。生物墨水主要由水性和水凝膠配方組成，其中包括自然來源的材料如膠原蛋白,、明膠,、藻酸鹽等，以及合成材料如聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）,。這些墨水設(shè)計用于在打印過程中支持細(xì)胞生存,，具有適宜的機(jī)械性能和生物相容性。作者進(jìn)一步討論了如何通過調(diào)整水凝膠的物理和化學(xué)交聯(lián)方式,，改善生物墨水的打印性能,。例如,，增加水凝膠的濃度可以提高其粘度，從而改善打印過程中的形狀保持能力和結(jié)構(gòu)完整性,。整體而言,，這一部分強(qiáng)調(diào)了生物墨水在3D生物打印中的核心作用，其配方和性質(zhì)直接影響打印過程的效率和打印結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,。通過不斷優(yōu)化和創(chuàng)新生物墨水的配方,，可以顯著提升生物打印技術(shù)在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用潛力,。

圖2 用于基于細(xì)胞的生物打印的生物墨水的生物材料類型

2.應(yīng)用：生物3D打印可移植組織結(jié)構(gòu)
生物3D打印策略旨在創(chuàng)建適合臨床應(yīng)用的組織構(gòu)造,，并有可能設(shè)計各種組織類型。制造組織或器官的主要考慮因素之一是必須采用能夠準(zhǔn)確模擬目標(biāo)組織或器官結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計策略,。這需要深入了解被復(fù)制的組織或器官的解剖和功能方面,。生物3D打印的優(yōu)勢在于它能夠有效地實施這種設(shè)計策略，從而可以創(chuàng)建與其自然等同物非常相似的精確組織或器官模型,。

設(shè)計策略涵蓋各種組織類型,，包括基于形狀的組織,，如骨骼,、軟骨,、皮膚[87]和角膜,；中空結(jié)構(gòu)，如血管,、尿道和氣管,；有組織的組織,，如骨骼肌,、心肌和神經(jīng)組織,；復(fù)合組織,，如骨軟骨（骨-軟骨）和肌腱（肌腱）組織,；以及整個器官，如腎臟,、肝臟和心臟（圖3）,。這些器官需要復(fù)雜的微血管和功能性內(nèi)部結(jié)構(gòu)才能有效運作。通過結(jié)合生物材料,、細(xì)胞以及生化和生物物理線索，生物3D打印提供了重建人體組織結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜性的機(jī)會,。這種方法可以精確設(shè)計組織形狀、組織,、結(jié)構(gòu)和整合,，為再生醫(yī)學(xué)和組織工程的進(jìn)步鋪平了道路,。

圖3 生物3D打印技術(shù)能夠創(chuàng)建各種形狀和大小的結(jié)構(gòu)

3.應(yīng)用：生物3D打印體外組織模型
體外組織模型旨在通過整合人體細(xì)胞和 ECM 成分來復(fù)制組織和器官的生物,、結(jié)構(gòu)或生理功能,。這些仿生平臺具有多種應(yīng)用，例如藥物測試、毒性評估和疾病建模,，并有望徹底改變藥物發(fā)現(xiàn)過程,。傳統(tǒng)制藥方法面臨著成本高、時間長和臨床前動物測試可預(yù)測性有限的挑戰(zhàn),。體外組織建模技術(shù)旨在通過提供更準(zhǔn)確、更高效的藥物開發(fā)平臺來克服這些障礙。

在傳統(tǒng)的體外組織建模中,，細(xì)胞通常在2D條件下培養(yǎng),，例如在組織培養(yǎng)板中，這是一種基本方法,。然而,，某些細(xì)胞類型在這種條件下可能會失去其自然特性和功能,。為了解決這個問題并為細(xì)胞提供更逼真的環(huán)境，人們采用了替代方法（圖4）,。先進(jìn)的技術(shù)包括將細(xì)胞培養(yǎng)為聚集體（球體）或類器官，利用3D生物打印創(chuàng)建復(fù)雜的組織/器官結(jié)構(gòu),，以及集成微流體平臺以支持動態(tài)微環(huán)境,。雖然2D和3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)都具有高通量篩選能力,，但它們可能無法模擬天然組織的復(fù)雜性和功能,。相比之下,，基于微流體的組織芯片在復(fù)制組織復(fù)雜性方面表現(xiàn)出色，但可能需要更適合高通量應(yīng)用,。   

圖4 體外組織建模系統(tǒng),，包括2D細(xì)胞培養(yǎng),、3D類器官、生物打印組織構(gòu)造和微流體驅(qū)動的組織模型

鑒于組織和器官固有的復(fù)雜性,，其特點是細(xì)胞類型多樣,、幾何排列特定，生物3D打印對于提高體外模型的準(zhǔn)確性至關(guān)重要,。為了獲得與天然功能和表型緊密復(fù)制的組織模型,，它們必須經(jīng)歷成熟過程。這涉及動態(tài)培養(yǎng)條件,，例如灌注環(huán)境、機(jī)械和電刺激以及多種細(xì)胞類型的共培養(yǎng),。圖5說明了各種組織模型的功能分類,，包括神經(jīng)生理,、肌肉功能,、代謝疾病,、骨骼和造血、感染和多器官相互作用系統(tǒng),。當(dāng)前的研究重點是改進(jìn)這些模型,，以更好地解決特定的組織特征和應(yīng)用。技術(shù)的進(jìn)步正在推動生物3D打印體外組織系統(tǒng)的進(jìn)步,，該系統(tǒng)針對一系列組織和器官模型進(jìn)行了量身定制,。   

圖5 生物打印體外組織模型系統(tǒng)，可復(fù)制組織或器官特定的生物,、生化和生物力學(xué)功能以及器官間相互作用,，用于藥物發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)醫(yī)療

最后，作者總結(jié)了生物3D打印在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的當(dāng)前進(jìn)展,，并對未來的發(fā)展方向提出了展望：

（1）技術(shù)進(jìn)步的總結(jié)：文中回顧了3D生物打印技術(shù)如何實現(xiàn)從簡單結(jié)構(gòu)到復(fù)雜組織構(gòu)建的轉(zhuǎn)變，特別是在提高打印精度,、材料多樣性以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜度方面的進(jìn)展,。同時指出,，盡管取得了顯著的技術(shù)突破,，但實現(xiàn)完全模擬人體組織的復(fù)雜性和功能性仍面臨挑戰(zhàn),。

（2）未來展望：文章強(qiáng)調(diào)了未來研究的重點將包括開發(fā)更為先進(jìn)的生物墨水,，這些墨水不僅要支持細(xì)胞生長,，還要模擬細(xì)胞外基質(zhì)的生物化學(xué)和生物力學(xué)屬性,。此外，提高生物打印組織的成熟度和功能化,，以及推動其臨床應(yīng)用將是重要的研究方向,。

（3）跨學(xué)科合作的重要性：指出實現(xiàn)3D生物打印技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化需要材料科學(xué),、細(xì)胞生物學(xué),、工程學(xué)等多個領(lǐng)域的專家進(jìn)行更深入的合作,。通過集成不同學(xué)科的知識和技術(shù),，可以加速3D生物打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。   

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adma.202408032