3D打印生物組織的五大應(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(gè)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。南極熊覺得，隨著3d打印技術(shù)的不斷發(fā)展，將來真正的打印人體器官不是不可能的。

在《生物技術(shù)趨勢》（Trends in Biotechnology ）的生物制造特刊中，研究人員回顧了3D生物打印的進(jìn)展，并展望了未來幾年到幾十年內(nèi)3D打印可能發(fā)生的進(jìn)步。

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(jià)且高效的個(gè)性化藥物的競賽中，芯片器官具有很強(qiáng)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(kuò)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。

康涅狄格大學(xué)助理教授 Savas Tasoglu 表示，“在向單個(gè)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(yùn)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(jìn)的3D生物打印機(jī)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(jī)可同時(shí)打印和制造器官內(nèi)部的微流體平臺(tái)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(jì)的研發(fā)周期變得更短。”


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(xiàng)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(shí)，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(jī)器控制來進(jìn)行組織工程制造已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)。”
“雖然用生物打印技術(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?！?br />

3. 面部重建
雖然研究者已經(jīng)能在實(shí)驗(yàn)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?yàn)榘┌Y或是受到面部損傷的病人帶來福音的顱面重建就是一個(gè)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(jìn)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，?！?br />

“未來修復(fù)顱面外部組織的一個(gè)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(qiáng)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(shí)快速監(jiān)控藥物在多個(gè)器官內(nèi)的反應(yīng)。當(dāng)然，這需要進(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(huì)成為下個(gè)十年醫(yī)藥研發(fā)的關(guān)鍵工具?！薄皩⑸锎蛴〉钠鞴倩蛉梭w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(yàn)的損耗率，并能顯著縮短藥物研發(fā)的進(jìn)度。”

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?yàn)檫@些方法在空間上能夠施加更多的控制。但是這其中的一項(xiàng)難點(diǎn)在于，制造出能夠直接和病人的靜脈或動(dòng)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(dòng)聚集成形的為重點(diǎn)的方法，對血管結(jié)構(gòu)初生形態(tài)的控制是最佳的?！?br />
近年來，3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視，其主要應(yīng)用實(shí)例有：人體植入物、手術(shù)導(dǎo)板、醫(yī)療器械等。每個(gè)人的骨骼形態(tài)都是獨(dú)一無二的，3D打印技術(shù)能夠根據(jù)每個(gè)人原生骨骼的特征進(jìn)行個(gè)性化定制，生產(chǎn)出與原生骨骼完全匹配的產(chǎn)品，從而減少植入物（或假體）對人體的影響，最大程度恢復(fù)人體骨骼的正常功能。想繼續(xù)了解3d打印在生物方面應(yīng)用，請關(guān)注南極熊3d打印。

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來源：環(huán)球科學(xué)

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