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生物打印:从组织和器官发育到体外模型

期刊综述    2021-09-18 15:31

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研究背景

➣生物3D打印将生物单元(细胞/蛋白质/DNA等)和生物材料按仿生形态学,生物结构或生物体功能,细胞特定微环境等要求用“3D打印”的技术手段制造出具有个性化的体外三维结构模型或体外三维生物功能结构体。

➣着重介绍组织和器官单位的生物印记,以实现再生选择。简要介绍了最常用的生物打印技术和生物材料。

➣本文综述了生物3D打印在这些胚层对应的主要器官的最新应用,特别是皮肤、神经系统、软骨、骨骼、血管、心脏、肾脏、肝脏、胰腺、腺体、角膜和肌肉这些器官。

 

生物3D打印工艺

 

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图1.制作生物打印组织和器官样结构所需步骤的示意图。

 

➣生物打印是一组增材制造(AM)技术,允许选择性分布细胞、生物材料、生长因子或其组合,以在三维中制造活的组织和器官。

➣生物3D打印的流程包含数据获取、三维建模、打印规划、生物3D打印与后期培养分化这几个步骤。

➣生物3D打印工艺根据打印材料的不同而异,最常用的打印工艺是微挤出式打印工艺,以外还有利用热发泡、压电、声波、磁场、光、微流控的打印工艺。

 

打印工艺

 

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图2.生物打印技术常用来制造组织和器官结构示意图。

 

➣微挤出式生物3D打印通常会配备有放置打印材料的料仓,然后通过施加压力,将材料以细丝的形式通过针头或喷嘴喷出。

➣此工艺可以是气压驱动或电机驱动,电机驱动由于其体积驱动的特点,所以精度更高,对于高低黏度材料的兼容性更好,且不需要额外的气泵设备。

➣热发泡打印工艺最早应用在生物3D打印领域的工艺,基本原理类似办公用喷墨打印机,墨盒中的墨水被替换为细胞和生物材料。

➣压电打印工艺中使用的压电材料在电刺激下会改变形状或尺寸,通过形变使材料以液滴形式喷射极小体积材料(纳升或皮升),与热发泡生物3D打印类似,但不需要高温所以不会影响细胞活力。

 

 

生物墨水-水凝胶

 

 

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图3. 水凝胶生物墨水。

 

➣ 主要包括pluronic、PVA、NIPAM、HA、dECM、gelatin、agarosen、anocellulose,主要用在微挤出式、微滴打印以及DLP打印技术中,具有很好的柔软以及水合性能,且很多种类是细胞基质的成分,非常适合细胞培养以及含细胞打印。

➣水凝胶生物墨水一开始只有琼脂糖或胶原蛋白,目前已经增添了很多种类,包括来源于自然的以及合成的。

➣ 合成的水凝胶生物墨水,如聚乙二醇,有优秀的化学和机械修饰性,但是需要优化可打印性。

➣目前凝胶类生物墨水朝着多功能化发展,通常由合成、天然、改性材料组合,这样可以消除个别材料的劣势。

➣此外,水凝胶生物墨水的交联和生物功能化也得到了新的发展,如硫醇-烯、超分子、光响应、动态共价、化学修饰等都被用来创造新的水凝胶材料。

 

皮肤

 

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图4. 皮肤生理学及其对应的生物打印。

 

➣ 皮肤的创伤愈合目前有约67亿美元的市场,这极大刺激了对皮肤的研究,皮肤3D打印的兴起为皮肤的替代和愈合提供了新的方向,这里我们介绍下皮肤的3D打印的发展历程、局限以及未来展望。

➣皮肤打印最早使用的是微滴打印(DOD)工艺,首先打印出胶原蛋白层,然后是成纤维细胞和胶原蛋白层,最后是角质形成细胞层。

 ➣ 随着激光系统生物3D打印得到发展,打印出含有细胞的支架结构移植到裸鼠背侧,发现可以与周围组织融合。

➣皮肤打印最具吸引力的临床应用是治疗局部和全层烧伤,然而,目前这种技术应用于手术室还存在一些障碍,包括监管限制。

➣现在打印的皮肤仍然是对天然皮肤复杂性的过度简化。天然皮肤还包括附属物,如毛囊和汗腺,并有高度的神经支配,两者都能改善皮肤功能和皮肤修复的质量。

 

同轴打印和DLP技术打印血管

 

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图5 采用同轴挤压系统,结合胶凝胶、海藻酸盐和8臂丙烯酸酯聚乙二醇,构建可灌注中空纤维。

 

 

➣血管是维持组织和器官存活的基础,其主要功能是运输营养物质和收集废物代谢物。人体内含有众多的大小血管,共同组成了血管网络。血管是由内皮细胞在基底膜上组成的。

➣基底膜顶部有内膜、中膜、外膜三个额外的ECM层,其成分略有不同。而内膜和中膜中的弹性蛋白,具有顺应性,并与胶原蛋白结合,为血管提供了机械性能,防止血管变形。

➣同轴打印通过打印过程中使用核壳打印喷嘴来实现打印管状结构。并且通过改变同轴纤维的直径可促进分支,从而为制造更多生理血管树创造可能。Akkineni团队制造了直径为600-800微米的中空纤维。

 ➣ Zhu团队通过DLP技术成功制造出复杂和分支的血管网络,并且在体内和体外均具有功能。这为生物制造更多的生理大规模工程创造了可能。

 

心肌打印

 

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图6. 心脏结构三维模型。

 

 

➣人类心脏大约有90亿个细胞组成,主要是内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞和其他结缔组织细胞等。目前针对心脏的修复主要在于心肌功能修复和心脏瓣膜功能修复。

➣当冠状动脉闭塞导致心肌梗死时,会发生组织坏死,从而引起收缩功能减弱。目前主要的修复策略是细胞补片,细胞治疗,内源性修复和综合性修复方法。

➣心脏补片可通过微挤出式打印,常用的生物墨水包括海藻酸钠、无RGD的海藻酸钠、明胶、透明质酸等。

➣ 研究者们通过实验发现含有孔隙可以灌注血液的心肌补片修复效果比不能灌注的补片效果更好。

➣ 目前生物3D打印的主要成果集中在心肌梗死修复补片的研发上。但是只对一些小动物进行了测试。小动物模型中组织厚度较低,血管化要求也比较低,因此较薄心肌的再生更容易。

 

结论

  1. 在仿生和复杂组织的背景下,生物打印可以提供一个有前景的技术平台,将交感神经网络、血管和神经网络结合起来,从而捕捉多个组织和器官系统的复杂性。

  2.  

    新的生物材料和适当细胞的选择被有效地用作组织的再生医学疗法,并最终成为器官的合适替代品,将逐渐证明对不同生物打印技术真正潜力的最终开发。

  3. 由于在追求最佳的细胞生物材料相互作用以针对目标组织的再生中产生了惊人数量的数据,并且通过将此类3D筛选模型用于化妆品和制药应用,提倡使用先进的生物信息学人工智能之类的工具。

  4. 可以设想组装用于生产的生物打印站,然后组装用于生物成熟的生物反应器技术和用于质量评估的高级成像。生产线将通过执行一些急需通过监管机构批准的标准操作程序,来确保从学术界到行业的更快转换。