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3D生物打印技术

      近些年来,“3D打印”这个词不时在多个媒体中出现,这几天甚至走上了新闻联播的播报屏幕,国务院总理李克强亲自主持国务院的专题讲座,讨论加快发展先进制造与3D打印等相关问题,再次引起了大家的注意。那么,“3D打印”到底是个什么呢?3D打印是一种快速成型技术,以数字模型为基础,运用粉末或液体可粘合材料,通过逐层固化成型的方式来构建具有复杂结构的物体。3D打印过程一般通过熔融沉积、光固化、选择性激光烧结等技术实现(表1),被应用于模型准备、工业设计、零部件制造等领域,从而得到汽车、建筑、日用品,甚至枪支武器等。但是,上述技术与我们这篇文章所介绍的3D生物打印概念还有一些区别。

 

    3D生物打印的概念提出:3D生物打印的最终目的是为了解决移植器官来源有限的问题,因为在现有的医疗手段中,一个器官的获取要以另一个人器官的失去为前提,而主动或被动失去的器官数量又远远少于需要的器官。例如,中国每年需要肝脏移植的终末期肝病患者有一百万左右,其中只有三到四千人接受了移植手术;而每年需要透析的十二万例病人中只有二十分之一可以找到肾源。因此,研究者们开发了很多替代方案,如使用动物来源的器官或人工制造的器官等。3D生物打印机的出现,有可能解决这方面的问题,从而延续病人的生命,提高他们的生活质量。

 

    3D生物打印机的原理: 3D生物打印机的开发基于现有打印技术发明,这些技术曾被用于制造工业零部件。而生物打印机的不同之处在于,它使用了生物材料,在其中可以复合细胞、生长因子等活性成分,从而逐层构建活体组织。第一台3D生物打印机的原型机已在2009年底由Organovo公司制造出来,2010年被《时代周刊》评为201050项最佳发明之一,但是该项技术还只是处于开发的初级阶段。通过电脑建模程序来设计需要打印的器官剖面图,从而精准指导随后的打印过程。打印过程如图1所示,研究者在供打印的液态材料中复合从骨髓、脂肪等组织中提取出的干细胞,或不同的活性因子,通过打印头将液体按照一定图案打印在接收平台上。打印头每打印过一层,就会提升一个层高的刻度,继而开始下一层图案的打印,从而逐渐实现人造组织的成型,这一过程类似于普通3D打印在工业应用中的模型制造。生物打印机可以被置于生物安全柜中,可进行各种无菌操作。打印后的组织结构可以直接被植入患者体内,其中的细胞在生长因子的调控下,重新组合、分化,最终形成新的组织和器官。从理论上讲,3D生物打印机可以使用CT等扫描技术,得到患者身体的各个部位精确图像数据,并在随后的短时间内3D打印出相应的组织,由于这些结构来源于病人的身体扫描,因此打印后的植入物可以完全模拟原有器官,顺利地进行替换,从而减轻了植入过程对患者身体带来的负担。

1 3D生物打印过程

 

    3D生物打印的研究现状:现在3D生物打印机的研究还处于早期研发阶段,但其发展前景为大家所期待。据InvetechOrganovo两家公司宣称,3D生物打印技术将在五年内实现对功能性大血管的打印,十年内实现心脏或肝脏等器官的打印。由此可见,3D打印技术的成果必将给医疗界带来一场革命。美国北卡罗来纳州Wake Forest大学Anthony Atala等人使用复合细胞的水凝胶材料,逐层打印,构建出类似肾脏的结构。同时,他们在使用相同技术,打印出带有人体细胞的支架,从而制造骨骼、耳鼻、膀胱等人体器官,以达到为患者提供量身定做的器官替代品的目的。而耶鲁大学的科学家们已经使用动物细胞制备出了鼠的肺部组织,可以被植入啮齿动物体内,并在一定时间内发挥功效。东京大学医院的Tsuyoshi Takato等将人造蛋白质材料通过3D打印技术制备骨或软骨,从而治疗具有相应疾病的儿童。但是,Atala认为距离打印器官被真正用于人体疾病治疗,还将会花费数年的时间,因为迄今为止的打印后植入体只具有极其简单的结构,不能完全模拟心脏、肝脏以及肾脏等复杂内脏器官的结构和功能。

 

    未来发展前景:现在,在3D生物打印领域取得了大量的科研突破,这些突破将使得我们在未来数年内实现3D打印器官和组织的前景越来越清晰,从而最终取代人体器官移植的应用。同时,3D生物打印技术也将被用于制药、美容、食品、服装等多个领域,彻底改变我们的生活。例如,未来的病人可以在自己家中利用标准化学品构建模块,打印纳米药品,而他日常所吃的食物也来源于凝胶、明胶材料与脂肪等食品添加剂的混合打印,所穿的衣服则来自网络下载模板后的量体打印。

 

戴建武组孟庆圆

 

参考文献

[1] Q. Gao, Y. He, J. Z. Fu et al., “Coaxial nozzle-assisted 3D bioprinting with built-in microchannels for nutrients delivery,” Biomaterials, vol. 61, pp. 203-15, Aug, 2015.

[2] L. Horvath, Y. Umehara, C. Jud et al., “Engineering an in vitro air-blood barrier by 3D bioprinting,” Sci Rep, vol. 5, pp. 7974, 2015.

[3] D. B. Kolesky, R. L. Truby, A. S. Gladman et al., “3D bioprinting of vascularized, heterogeneous cell-laden tissue constructs,” Adv Mater, vol. 26, no. 19, pp. 3124-30, May 21, 2014.

[4] C. Kucukgul, S. B. Ozler, I. Inci et al., “3D bioprinting of biomimetic aortic vascular constructs with self-supporting cells,” Biotechnol Bioeng, vol. 112, no. 4, pp. 811-21, Apr, 2015.