英國3D生物打印器官研究獲得突破性進(jìn)展

3D生物打�,。�3D-Bioprinting）是一個(gè)令人興奮的新技術(shù)，該技術(shù)可能有一天會實(shí)現(xiàn)可移植人體器官的定制化,。日前,，英國斯旺西（Swansea）大學(xué)醫(yī)學(xué)院的一組科學(xué)家正在研究新一代3D生物打印技術(shù)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，以及使用生物方法制造活組織,。
隨著研究進(jìn)展,，科學(xué)家們認(rèn)為，3D生物打印技術(shù)很有希望用來制造活體結(jié)構(gòu)以替代人體受損的或患病的組織,。據(jù)天工社了解,，當(dāng)前，研究人員們正在著力解決因關(guān)節(jié)炎產(chǎn)的膝關(guān)節(jié)或髖關(guān)節(jié)的組織損傷和因癌癥造成的腹部,、氣管及乳房的切除而進(jìn)行組織置換問題,。
該研究小組正在開發(fā)制造活體組織結(jié)構(gòu)的機(jī)器——3D生物打印機(jī)，目前已經(jīng)開發(fā)的最新版本被稱為3Dynamic組織工程工作站（3Dynamic Tissue Engineering Workstation）,，這臺3D生物打印機(jī)使得3D生物打印這種復(fù)雜的工藝變得更加準(zhǔn)確,、可靠和經(jīng)濟(jì)。斯旺西大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Daniel Thomas博士在介紹這臺機(jī)器時(shí)說,。
“3D生物打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以在更廣泛的范圍內(nèi)用于大學(xué)的實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用的水平,。短期內(nèi)，這種技術(shù)就可能得到更多的應(yīng)用,，并且會更有效推動再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究和創(chuàng)新,。”

斯旺西大學(xué)的實(shí)驗(yàn)性3Dynamic組織工程工作站,，其被用于生產(chǎn)以軟骨細(xì)胞為基礎(chǔ)的組織,，例如脊椎動物氣管部分。

這項(xiàng)研究是從兩年前開始的,，當(dāng)時(shí)因?yàn)槿鄙倏梢?D打印軟組織的設(shè)備,，所以斯旺西的研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)材料的特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)了一款機(jī)器。天工社發(fā)現(xiàn),，這臺機(jī)器專門使用軟骨細(xì)胞做為原料,，制造并并維持一些身體組織中的軟骨基質(zhì)。這些細(xì)胞可以被生物打印成3D生物體系結(jié)構(gòu),，比如氣管的形狀,。這臺機(jī)器的精度已經(jīng)達(dá)到了可重復(fù)制造復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)的水平。
研究團(tuán)隊(duì)目前正在此基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn),，包括開發(fā)3D生物打印硬件,、固件和軟件,。這些改進(jìn)將直接來源于對傳統(tǒng)3D打印工藝的創(chuàng)新。研究團(tuán)隊(duì)將技術(shù)開發(fā)與科學(xué)研究相結(jié)合,，致力于解決細(xì)胞自我組織,、發(fā)育生物學(xué)和組織成熟過程等方面，其最終目標(biāo)是制造復(fù)雜的生命結(jié)構(gòu),。

3D生物打印使用軟骨細(xì)胞,、藻酸鹽、透明質(zhì)酸,、轉(zhuǎn)化生長因子SS1,、抗生素和明膠等物質(zhì)的混合物產(chǎn)生多相組織；以形成可打印的生物活性凝膠,，這種凝膠可長成組織,。

研究人員目前已經(jīng)開始將這項(xiàng)技術(shù)用于膝關(guān)節(jié)修復(fù)。當(dāng)下對于關(guān)節(jié)炎造成關(guān)節(jié)軟骨磨損的患者最好的治療方案就是進(jìn)行關(guān)節(jié)置換手術(shù),，為其安裝一個(gè)人工關(guān)節(jié),。這是一個(gè)痛苦的過程，而且并不一定是永久有效的,。利用3D生物打印進(jìn)行組織修補(bǔ),，可先制備，然后再移植,，從根本上而允許膝關(guān)節(jié)軟骨修復(fù),。2010年，全球膝關(guān)節(jié)置換市場價(jià)值為69億美元,，而且隨著人類老齡化的到來,，到2017年預(yù)計(jì)將增長至110億美元。
與傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)相比,，斯旺西大學(xué)的團(tuán)隊(duì)更著重于發(fā)展全數(shù)字化的設(shè)備,，以便于更有效地沉積復(fù)雜的生物基液體�,！�3D生物打印本質(zhì)上是通過傳統(tǒng)的逐層自動化增材沉積技術(shù)來制作三維的功能性活體組織的過程,。” Daniel說,�,！斑@個(gè)過程必須由計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，以確保做為構(gòu)建材料的生物活性凝膠的精確沉積,，同時(shí)還需要考慮到細(xì)胞的自組織屬性,，以便產(chǎn)生可測量的、系統(tǒng)性的,、具備代謝能力和功能特性的活體功能組織,�,！�

利用3D生物打印制成的準(zhǔn)組織，經(jīng)過兩天的成熟后會變成以軟骨細(xì)胞為基礎(chǔ)的組織,。

該研究團(tuán)隊(duì)使用的3D生物打印技術(shù)的工作原理是首先在注射器型沉積系統(tǒng)中裝入含有每毫升2至2000萬個(gè)軟骨細(xì)胞并混合以藻酸鹽,、透明質(zhì)酸,、生長因子β1,，抗生素和明膠的生物活性凝膠。打印機(jī)的控制軟件是基于Pronterface架構(gòu)設(shè)計(jì)的,，可以通過驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)精確定位打印頭在XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置,。這使得制造組織時(shí)的精度能達(dá)到±5μm，就像常規(guī)的3D打印系統(tǒng),。

3D生物打印還可以用來制造血管組織,，當(dāng)然這需要同時(shí)打印相應(yīng)的支架，以確保在制造過程中血管結(jié)構(gòu)得到支撐,。上圖就是研究人員打印的一個(gè)比較大的動脈的結(jié)構(gòu),，還屬于準(zhǔn)組織。

打印好的準(zhǔn)組織被轉(zhuǎn)移到一個(gè)37.8℃反應(yīng)器中,，每兩天更換一次生長因子,，然后細(xì)胞開始在三周內(nèi)生長和成熟為一個(gè)組織。這其中的關(guān)鍵點(diǎn)是：在成熟過程中需要添加0.1％的透明質(zhì)酸到生物凝膠中去,，以限制蛋白聚糖的流失,。Daniel解釋說：“這個(gè)很重要，因?yàn)榈鞍拙厶鞘羌?xì)胞外基質(zhì)的關(guān)鍵組成部分,。它是組織中細(xì)胞之間的填充物質(zhì),，起到對周圍組織進(jìn)行結(jié)構(gòu)和生化支撐的作用，沒有它則組織無法正確形成,�,！�

使用3D生物打印工藝制造的顎、耳結(jié)構(gòu)和簡化的骨小梁幾何結(jié)構(gòu),。

通過改變沉積速度,，就可以改變每層的分辨率。其他的方法也包括使用多種生物材料打印三維生物支架,。各種以水凝膠為基礎(chǔ)的材料可用于制造支架,，比如血纖維蛋白、聚（丙交酯 - 共 - 乙交酯）（它是多孔的）,，還有瓊脂糖和藻酸鹽等,。這是制造可置換動脈的一種方法。這項(xiàng)技術(shù)的挑戰(zhàn)是要充分理解用于制造活性組織的三維細(xì)胞結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)闹Ъ懿牧现�間的相互作用關(guān)系,。為了克服這些局限性,，研究團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)新的方法來把細(xì)胞和支架精確地堆疊在一起,。
從長遠(yuǎn)來看，這項(xiàng)研究的最終目的是把3D生物打印變成一種制造工藝,，以用于生產(chǎn)多種類型的組織,，這些組織可作為手術(shù)修復(fù)材料或在短期內(nèi)對藥物作用進(jìn)行檢測。據(jù)天工社了解,，研究團(tuán)隊(duì)下一步的工程將是使不同類型的細(xì)胞——包括間質(zhì)干細(xì)胞,、心肌細(xì)胞、祖細(xì)胞,、成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞——同時(shí)沉積以產(chǎn)生更為復(fù)雜的組織,，甚至器官。Daniel解釋說：“不同的干細(xì)胞材料可以產(chǎn)生復(fù)雜的組織,，可以用于比如說腹部或乳房重建等應(yīng)用,。為了繼續(xù)深入這個(gè)課題，我們目前正在研究耳朵部件的制造工藝,，比如耳蝸,，這是人耳結(jié)構(gòu)最重要的部分�,！�
在這個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展,，也可能導(dǎo)致未來對手術(shù)中病人的直接進(jìn)行3D生物打印，將相應(yīng)的組織或器官直接打印到患者體內(nèi),。這將意味著未來的臨床手術(shù)將發(fā)生革命性的變化,。