【解析】3D打印生物組織在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的五大應(yīng)用方向

3D打印已經(jīng)讓生產(chǎn)定制假肢變得更容易了，而生物工程師希望，在未來能夠制造出真正的細(xì)胞材料。這種技術(shù)可能成為個性化的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的基礎(chǔ)，比如用組織工程學(xué)制造的皮膚、軟骨、骨頭，甚至具有生理功能的膀胱。接下來，南極熊為大家盤點3D打印生物組織在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的五大應(yīng)用方向。

1. 量身定制的芯片器官
“芯片器官”是一種用3D微工程技術(shù)制造的系統(tǒng)，它模擬人體組織的結(jié)構(gòu)和功能。在開發(fā)廉價且高效的個性化藥物的競賽中，芯片器官具有很強的競爭力。研究人員已經(jīng)成功地在芯片上用人體干細(xì)胞培養(yǎng)出了肺、腸道和胰腺組織，這讓他們能夠研究不同病人的細(xì)胞生理差別，還可以用它們來篩選藥物。

該技術(shù)的快速擴張還面臨著一些制造方面的難題。但是3D打印技術(shù)能夠減少建造和組織培養(yǎng)所需的人力以及成本，并滿足芯片的需求?？的腋翊髮W(xué)助理教授 Savas Tasoglu 表示，“在向單個步驟制造芯片器官發(fā)展的方向上，3D打印在微流體制造與三維生物組織打印中的交叉運用顯示出了巨大的潛力，而且在研究過程中靈活性更大、產(chǎn)量更高?！彼救酥饕芯?D打印在微流體和芯片器官方面的新應(yīng)用。

“在未來的研究中，將有更多先進的3D生物打印機出現(xiàn)，它們能夠打印一系列的半流體材料。這些3D生物打印機可同時打印和制造器官內(nèi)部的微流體平臺以及樣式復(fù)雜的組織。這種封閉的集成系統(tǒng)能夠極大地簡化芯片器官模型的制造，讓芯片器官設(shè)計的研發(fā)周期變得更短?！?br />
2. 制造皮膚
用嵌在膠原凝膠里的細(xì)胞打印出來的皮膚在10天的培養(yǎng)后，就能產(chǎn)生細(xì)胞間連接以及正常的細(xì)胞生物標(biāo)記。在另一項研究中，研究人員能夠在這層細(xì)胞中培養(yǎng)出血管。皮膚的生物打印已經(jīng)愈來愈接近現(xiàn)實，但是研究人員才剛剛開始考慮怎樣用這類人造皮膚治療病人，尤其是那些燒傷或是有慢性創(chuàng)口的病人。

新加坡南洋理工大學(xué)以及新加坡科技研究局的 Wei Long Ng 以及合作者表示，“利用復(fù)雜的機器控制來進行組織工程制造已經(jīng)成為了現(xiàn)實?！薄半m然用生物打印技術(shù)制造出具有完整功能的人造皮膚，這一終極目標(biāo)尚未達(dá)到，但是生物打印已經(jīng)在一些關(guān)鍵的皮膚組織工程學(xué)方面顯示出了潛力，包括構(gòu)建色素和皮膚老化模型、制造血管網(wǎng)絡(luò)和毛囊。”

3. 面部重建
雖然研究者已經(jīng)能在實驗室中打印出骨頭、軟骨、皮膚、肌肉、血管和神經(jīng)，但是打印更為復(fù)雜的、能夠植入病人體內(nèi)的結(jié)構(gòu)，仍是他們正在努力追求的目標(biāo)。比如，能夠為癌癥或是受到面部損傷的病人帶來福音的顱面重建就是一個重要的方向，研究者已經(jīng)投入了大量精力來研究這類細(xì)胞。在不久的將來，3D打印的支架就能夠被用來改善患者下頜以及其他面部區(qū)域的局部缺陷。

阿姆斯特丹大學(xué)醫(yī)學(xué)中心外科醫(yī)師 Dafydd Visscher 和同事表示：“還需要進行長期的（預(yù)）臨床研究，以及智能聚合物和最終成品質(zhì)量過關(guān)的生物打印技術(shù)，總之還有很長的路要走，。”


“未來修復(fù)顱面外部組織的一個有效方法是，用一種手持生物打印儀器將細(xì)胞打印到皮膚和軟骨一類的組織上，”他說，“但是目前來看，專注于生物打印技術(shù)的優(yōu)化，讓其增強顱面組織的自我修復(fù)能力才是醫(yī)用生物打印合理的第一步。”

4. 多器官藥物篩選

3D生物打印證明，精準(zhǔn)的模型能夠改善我們評估新藥的方式。比如用多種類型的細(xì)胞制造的類器官（organoids），以及經(jīng)過基因改造的血管制造的腫瘤模型都屬于精準(zhǔn)模型。這些方法能夠?qū)崟r快速監(jiān)控藥物在多個器官內(nèi)的反應(yīng)。當(dāng)然，這需要進行多輪研發(fā)周期（如增加血管、把器官模型連接起來）才能實現(xiàn)。

賓夕法尼亞州立大學(xué)的Ibrahim Ozbolat 和 Weijie Peng，以及杰克遜基因組醫(yī)學(xué)實驗室（The Jackson Laboratory of Genomics Medicine）的Derya Unutmaz 表示，“隨著新型生物打印技術(shù)的發(fā)展，制造有生理活性的組織模型將會成為下個十年醫(yī)藥研發(fā)的關(guān)鍵工具?！?br />
“將生物打印的器官或人體芯片模型以及微陣列技術(shù)和其他3D生物制造技術(shù)和支持性的技術(shù)集成起來，能夠顯著減少新療法在臨床前試驗的損耗率，并能顯著縮短藥物研發(fā)的進度?！?br />
5. 插入式血管

在生物工程制造的組織中構(gòu)建3D血管，對于組織移植后的存活，以及對于人體解剖結(jié)構(gòu)的精確復(fù)制來說是必要的。這方面研究一直以來依靠的是2D細(xì)胞層的疊加，或是3D網(wǎng)絡(luò)的生物打印，因為這些方法在空間上能夠施加更多的控制。但是這其中的一項難點在于，制造出能夠直接和病人的靜脈或動脈相連的血管網(wǎng)。

“血管生成目前被視為組織工程學(xué)的大規(guī)模臨床應(yīng)用的最大阻礙之一，”麻省理工學(xué)院（MIT）和哈佛大學(xué)的生物工程師 Jeroen Rouwkema 和 Ali Khademhosseini 表示，“很明顯，那些以組織內(nèi)血管細(xì)胞主動聚集成形的為重點的方法，對血管結(jié)構(gòu)初生形態(tài)的控制是最佳的。”

來源：環(huán)球科學(xué)