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          干货: 全球细胞3D打印技术综述

          南极熊3D打印 2019/03/13 13:39

          3D打印


          南极熊导读:本文是由一个生物3D打印领域的博士所写的干货文章,对全球的细胞3D打印技术进行了综述,已于2019年1月发布在《新材料产业》上。

          作者:赵  雨     上普博源(?#26412;?生物科技有限公司目前,英国有 5 000多人在等待移植新的肾脏。在接下来的一年里,经过 平均大约 30个月的等待后,他们中只 有不到一半的人会得到新的肾脏。其 余的人将继续等待,可他们不能永远 坚持下去:2016年,457名英国人在等 待新肾、新肝、新心脏或新肺的过程中 死亡。另有 875人由于已经病得无法 接受移植手术而从候补名单上被除 名。而在中国这种情况更为严重,据 统计,中国的人体器官的供需比仅为 1∶ 30,与英美发达国家的 1∶ 3左右 的供需比相差甚远。在数以万计的等 待者中,每年仅有几千名?#20197;?#20799;可以 接受器官移植。

          南极熊配图:艾伯尔生物3D打印技术


          1 生物3D打印技术简介如果科学家们不再依赖稀缺的捐 赠器官,而是能够在实验室中快速、廉 价地构建健康的新器官,并将患者自 身的细胞作为原材料,那会怎样?在 过去的约 15年里,这个梦想推动了在 生物 3D打印领域的投资和研究。生物 3D打印技术是将生物单元(细胞/蛋 白质/ D N A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“三维打印”的技 术手段制造出具有个性化的体外三维 结构模型或三维生物功能结构体。其科学研究、技术应用和产业化发展广 涵于生物 3D打印装备和生物墨水的 研发及制造、高端医疗器械的制造、复 杂组织工程支架制造、体外生物功能 结构体的制造、生物/病理/药理模型 和新药检测模型制造?#21462;?/span>生物 3D打印作为一门新兴交叉 前沿技术领域,目前在国内外得到前 所未有的战略关注, 如美国增材生 物制造探讨,?#35775;恕?#21046;造业的未来 : 2015 ~2020战 略 报 告》、“十 三 五”规 划纲要、国家科学技术部/工业和信 息化部 3D打印战略规划?#26579;?#23558;以细 胞和先进生物材料为基础的生物制造 和生物 3D打印技术视为国家重要战 略发展方向。

          2 生物 3D 打印技术的应用根据所用生物材料性能的不 同,清华大学生物 3D打印?#34892;?#23558;目前 生物 3D打印技术分为 4个层次。

           

          南极熊配图:细胞3D打印应用,?#35745;?#26469;自上普博源


          第 1层次是打印无生物相容性要求的材料,可应用于 3D打印体外病例 模 型 、手 术 导 板 、3 D 打 印 体 外 假 肢 或 矫形辅具等领域,该层次的应用极大 地发挥了 3D打印在个性化定?#21697;?#38754; 的优势,帮助相关病人量身定做相关 手术模型或治疗工具,可使病人得到 更好的治疗。

          第 2层次是打印具有生物相容 性,但非?#21040;?#26448;料。?#27515;?#25171;印产品可以 作为体内永久植入物,材料可以是钛 合金等金属等材料,?#37096;?#20197;是高分子 等惰性材?#31995;齲渲?3D打印金属植入 物厂商爱康医疗已获得多个C F D A上 ?#34892;?#21487;证书,产品已应用于临?#30149;?/span>

          第 3层次是打印具有良好生物相 容性且可?#21040;?#30340;生物材料,主要的应 用领域为打印组织工程支架。其要求 打印的体内植入物不仅能与体内相 容,还要具有?#21040;?#29305;性,在体内一定 时间促进体内缺损组织的生长和愈 ?#31232;?#30001;清华大学生物制造?#34892;?#29420;创的 3D打印低温沉积制造技术集成了生 物 3D打印与冷冻干燥微观制孔技术 的优势,可实现同?#26412;?#26377;宏观可控孔 隙(百微米级)与微观微丝孔隙(十微 米级)的组织工程支架的 3D打印,提 高了支架内的细胞种植率,更利于细 胞在支架内部的生长和组织功能的实 现,并在骨组织工程支架等领域应用 良好,并已开始向临床转化。

          第 4层次是打印活性细胞,蛋白 及其他生物活性分子等,该层次的生 物 3D打印技术也被称作细胞 3D打印 技术。细胞 3D打印技术可以直接将细 胞、蛋白及其他具有生物活性的材料(例如蛋白质,D N A,生长因子等)作为 3D打印的基本单元,以 3D打印的方式,直接构建体外生物结构体、组织 或器官模型。

          南极熊配图

          3 细胞3D打印的技术挑战

          细胞 3D打印技术是目前生物 3D 打印技术的最前沿技术,也是实现器 官打印的最大潜在技术。打印过程 中,细胞必将承受一定的机械力,甚至 造成一定损伤,因此,细胞 3D打印技术的实现充满了各种技术挑战,细胞3D打印的技术挑战主要包括以下几 个方面。

          3.1 材料能否打印首先要选择能被生物 3D打印机 打印的生物材料/生物墨水,虽然不 同的打印工艺对生物墨水粘度有不 同要求,但总体来讲,太低粘度或太 高粘度的生物墨水,都很难被打印。因 此,细胞 3D打印的第一个挑战是要找 到可以被打印的生物墨水。

          3.2 能否构建3D结构并不是所有被打印的生物墨水都 可以构建 3D结构,为了打印出具有高 分辨率的 3D复杂细胞结构体,细胞打 印墨水需满足通过提高打印墨水的粘 度来提高生物墨水的凝胶能力,以维 ?#26893;?#23618;堆积结构体的力学性能。

          3.3 细胞能否存活增加细胞打印墨水的粘度,会导 致打印过程中细胞打印墨水中的细胞所承受的剪切力增加,从而导致打印 后细胞存活?#23454;南?#38477;。因此,控制好打 印过程中细胞打印墨水的粘度(既不 能太高也不能太低),寻找细胞打印墨 水的合适粘弹性区间,是实现良好细 胞三维打印(良好的成形性能与生物 学性能)的重要步骤。

          3.4 是否具有功能性刚打印的 3D细胞结构体,只是细 胞和生物材料的 3D组合体,并?#25381;行?成组织特征。因此,打印的 3D细胞结 构体,必须经过适宜的培养条件,才能 形成组织功能性。此环节需要保证,生 物材料的生物相容性,力学性能和功 能性,培养基的充足供应?#22836;?#29289;的充 分排出?#21462;?#29978;至?#34892;?#32452;织需要特定的 生物反应器,通过流体,力或电的刺激 才能达到其功能性。

          综上所述,细胞 3D打印的各个环 节充满了不同甚至具有一定相互矛盾 的技术挑战,需要多学科的交叉背景 知识和多年的经验积累去解决。

          4 细胞 3D 打印技术分类其根据其离散细胞墨水的方法主要可以分为 5类(表 1)。

          4.1 喷墨式细胞打印技术喷墨式细胞打印是基于普通喷 墨打印机的打印原理,利用热气泡或 压电的体积变化,挤压墨盒内的细胞 墨水,离散产生含有细胞的细胞墨水的微滴并喷射出去。喷墨打印机的 喷嘴?#26412;?#20165;有几十微米,可以进行高 精度的细胞打印,但是也由于其喷嘴 ?#26412;?#27604;较小,喷墨式细胞打印难以离 散打印高粘度的细胞墨水,使得此技 术直接打印三维生物学实体模型较困 难 ;此外,热气泡的产生和压电的变 形会对细胞造成一定损伤,需较好的 控制打印工艺?#38382;?#20195;表性研究机构 有德州大学的Boland教授课题组。

          4.2 微挤出式细胞三维打印技术微挤出式细胞三维打印技术,利 用机械力或气压等驱动力,直接通过微 喷头连续挤出生物材料和细胞构建三 维生物学结构体。由于常用的微挤 出式细胞打印机的喷嘴?#26412;?#22810;在百微 米级,打印精度一般,但其挤出式的工 艺可以打印高粘弹性的生物墨水,易于 实现三维生物学实体的构建。此外,此 技术在牺牲精度的同时,使得打印出的 每一个离散单元体积变大,间接地提高 了打印效率和细胞存活率。代表的研究 机构有清华大学生物制造?#34892;?#30340;孙伟 教 授 课 题 组 ,美 国 哈 佛 大 学 的 J e n n i f e r Lewis教授课题组。

          4.3 激光直写式细胞打印技术激光直写式细胞打印技术,是指 利用光压力控制细胞排列成具有高 精度的空间结构,其精度可达单细胞 量级,但提高的精度也导致成形效率 下降明显,该工艺?#26448;?#20197;打印粘度?#32454;?#30340;生物材料,使得其打印三维生物 学结构体的能力降低。代表的研究 机构有美国明尼苏达大学的David Odde教授课题组。

          4.4 立体光刻细胞三维打印技术立体光刻细胞三维打印技术,通过 激光或紫外光在空间的扫描运动实现对 含有细胞的光?#25506;?#30340;立体固化成形,制 造出预设计的三维生物学结构。虽 然 这种技术具有高度的柔性,但其成型 效率却不如人意。部分开发者不再利 用激光细小的光斑扫描立体固化成 形,而是利用投影机原理,进行面投 射,每层同时固化成形。该工艺根据投 影机类型主要可以分为液晶投影仪 型和数字微镜(Digital Micromirror D e v i c e s , D M D )投 影 仪 型 ,两 者 的 本 ?#26159;?#21035;是液晶投影仪首先将光源分解 成 3?#20540;?#33394;光,再分别通过 3个液晶片 控制 3?#20540;?#33394;光的亮度,最终合成所 需的光和图案,而D M D只是利用一个 可以反射光源的数字阵列式微?#36947;?#23454; 现。该种工艺的光敏水凝胶预先存储 在成?#38382;?#20869;,会造成材料浪费,?#32422;?#38590; 以制造多种细胞的异?#24335;?#26500;,且光敏 水凝胶多具有不同程度的毒性,使得 该种工艺的细胞存活率一般。代表的 研究机构有美国加州大学圣地亚哥分 校的Chen Shaochen课题组。

          4.5 声波驱动式细胞打印技术声波驱动式细胞打印技术是利用 声波的振动产生微滴喷射的方法,其 精度最小可达 10μ m左右,但该工艺 也是微滴喷射的方法,难以喷射高 粘度的生物材料,使得打印三维生 物学结构体的能力受到限制。代表 的研究机构有美国Stanford大学的 Demirci教授课题组。综上所述,各种细胞打印方法各 有所长,但对于具有三维复?#21491;?#36136;生物学结构体来说,微挤出式细胞三维 打印技术更为合适,其构建多细胞三 维模型更容易,效率更高,细胞存活 率高,打印精度(百微米级)?#26448;?#28385;足 一般科研使用需求。所以,目前市场 上主流的细胞 3D打印机多是基于该 技术实现,代表公司有德国Envision TEC公司、瑞士Regen Hu公司,国内 的上普博源(?#26412;?生物科技有限公司(SunP Biotech)、捷诺飞生物科技股 份有限公司?#21462;?/span>

          5 细胞 3D 打印的生物墨水分类微挤出式细胞三维打印的生物 墨水有很多种,根据其溶胶-凝胶固 化转变原理可以分为以下几种方式( 表 2 )。

          5.1 温敏水凝胶生物墨水温敏水凝胶生物墨水可以通过 环境温度的改变实现其溶胶-凝胶 方式的转变。凝胶-溶胶转变温度在 0 ~37°C之间且生物相容性好的水 凝胶材料均有能力作为细胞打印墨 水。最具代表性的温敏水凝胶细胞 打印墨水为明胶。温敏水凝胶的溶胶 到凝胶的转变方式一般为可逆的,且 只要材料温度达到转变温度即可转 变,无需使用液体交联剂,不受交联剂 渗?#24178;?#24230;影响,也不易出现液体交联 剂导致三维打印离散层层堆积时,层 与层之间出现的层间剥离现象,易于 构建大尺寸的三维细胞结构体。

          5.2 离子交联式生物墨水以海藻酸钠为代表的水凝胶材 料,可以通过与离子溶液相接触的方 式进行交联固化,实现溶胶-凝胶方 式的转变。但是此种离子置换的交联 方式反应很快,难以利用生物墨水与 交联剂预混合的方式打印,一般只能 利用含离子的液体进行浸泡或喷射在 生物墨水表面进行交联。但细胞三维 打印机若使用液体浸泡的方式进行 交联,易出现前文提到的层间剥离现 象,不利于打印三维生物学结构体。

          5.3 ?#22797;?#20132;联式生物墨水以纤维蛋?#33258;?#20026;代表的水凝 胶材料,可以通过与生物酶相接触的 方式进行交联,实现溶胶-凝胶方式 的转变。此?#32622;复?#20132;联方式一般反应 ?#19979;?#29983;物酶可以混入液体制成交联 剂,通过液体浸泡的方式进行交联,也 可以与水凝胶生物墨水预混合后,待 时间孵育交联。但溶胶到凝胶转变反 应慢,也增加了成?#25991;?#24230;,不易于直接 打印三维结构体。

          5.4 紫外光固化部分合水凝胶材料经过合成改 性,再加入光引发剂,使得水凝胶生物 墨水具有光敏特性,可以通过紫外光 进行交联固化(例如G e l M A 等)。光 敏水凝胶一般强度高,紫外光的渗透 深度比一般液体交联剂的渗?#24178;?#24230;更 深,但光引发剂的引入,会降低生物墨 水的生物活性。


          6 细胞3D打印的未来尽管目前细胞 3D打印已能打印 多种细胞,甚?#37327;?#20197;构建一些简单的 组织等,但其距离器官打印还有一段 距离,未来值得关注一下几方面的研 究突破或趋势变化,?#28304;?#36827;细胞 3D打 印技术?#21335;?#21069;发展。

          6.1 研究新型生物墨水目前,尚不存在理想型的生物墨 水。基于天然生物材料的墨水生物相 容性好,但大多难以打印或力学性能 ?#32531;謾?#22522;于人工合成高分子材料的墨 水打印性能或力学性能较好,但生物 活性一般较差,甚至?#34892;?#26448;料没有经 过F D A认证。未来,研发打印性能和 生物学性能兼优的生物墨水将是行业 不可避免的趋势。

          6.2 产业化促进整个领域快速向前随着生物 3D打印产业化的不断 成熟,越来越多的厂商开始开发商业 化的生物 3D打印机,生物 3D打印机 的功能越来越强大,价格越来?#38477;?廉。这使得新进入这个交叉领域的研 究者,尤其是材料学家,生物学家,医 生等非机械电子专业的研究者,可以 无需花精力在自己不擅长的打印机开 发领域,而专注于生物墨水的研发及 组织或器官的构建研究。因此,细胞 3D打印机的产业化正在促进这个领 域更快的发展。

          6.3 提供细胞 3D 打印的专业化 服务将是未来的趋势细胞 3D打印的交叉学科特?#32422;?技术挑战,决定了其入门具有一定的门槛。因此,通过与有经验的科研机 构合作,或寻找有经验的公司进行技 术服务,将是此领域新入门者快速 获取知识并取得科研成果的便捷途 径。据此预测,具有高校研究背景的 细胞 3D打印的专业化服务公司将会 越来越多。


          7 结语近年,细胞 3D打印技术随着生物 3D打印机和生物墨水的产业化已走 进越来越多的实验室,更多的交叉领 域研究者一起投身到这个实现人类器 官再造梦想的领域。相信随着细胞 3D 打印领域的不断蓬勃发展,实现器官 打印的那天也不会太遥远。

          参考?#21335;祝?/span>
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          作者:赵  雨     上普博源(?#26412;?生物科技有限公司
          3d打印

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