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河南3D打印制造“能用的”人體器官

文章來源:鄭州印象三維科技有限公司   時間:2021-01-04

  從世界上第一臺商用3D打印機的誕生到現在已經過了30年,隨著技術的進步,3D打印機也和人們的生活聯系越來越緊密。近日,美國北卡羅來納州維克森林大學醫學院的科學家開發出一種改進版的3D生物打印機。這款3D打印機通過使用可降解的塑料狀材料,首次打印出了在強度和尺寸上都滿足臨床需要的人體活細胞組織。這就是說,3D生物打印機終于可以制造“能用的”人體器官“零件”了。

  以往“3D器官”未能移植存活

  利用3D打印技術制造器官和組織早就不是新鮮事了,在2010年,美國Organavo公司就研制出了以生成具有功能性的組織和器官為目標、可以把細胞按分層圖樣打印的 3D 生物打印機,并用該技術制作出了可供藥物測試用的腎組織。而在去年,澳大利亞的研究人員甚至做出了3D打印的腦組織。

  然而,囿于規模、結構和細胞存活時間方面的限制,大部分這樣的打印產物只存在于實驗室中,而未能真正作為可用的器官進行移植。

  不過就在近日,在《自然-生物技術》雜志發表的論文中,維克森林大學安東尼·阿塔拉課題組宣布,他們把3D打印出的組織移植到生物體內,并且證明了這些從打印機里誕生的組織能夠像正常組織一樣存活并生長。

  新3D器官有“空腔”供血管穿過

  在設計好模型圖紙并開始3D打印之后,細胞會像普通3D打印中的塑料一樣,一層一層地“壘”出設定好的形狀。但這里面有個問題:細胞可沒有塑料那么聽話,把它們堆起來不加約束的話,細胞可是會散開的。在生物打印過程中,一種叫做聚已內酯的化合物是解決這一問題的關鍵。它可以發揮支架的作用,承載細胞維持器官或組織的形狀。而在數年過后,它會被生物降解,不產生毒性。

  而器官或組織打印需要面臨的另一個問題,在于如何在這些組織的內部設計“空腔”——聚已內酯固然可以使得細胞有序地堆疊在一起,但如果沒有內部的空腔,這些細胞便活不了多久。

  在正常組織中,血管會交織在器官內部輸送養分??稍S多打印出來的組織缺乏血管,移植后難以存活到能與移植受體“融為一體”。研究者意識到,如果希望3D打印出來的組織能夠長久地存活,留出供血管穿過的空間是極為重要的。

  阿塔拉研究小組的成員利用水凝膠解決了這一問題。這些水凝膠結構能夠以固體的形態作為支架的作用,當細胞形成穩定的結構后,它們就會被降解代謝。這樣,原先它們存在的位置,就成了可供血管伸展和發育的“空腔”。利用這一思路,原本因營養物質輸送問題而受限的打印組織大小問題也得以克服了。

  從骨頭到肌肉移植了都能長

  那么,這樣的系統好不好用呢?測試一個東西的可靠性一般要從簡單的東西開始。這一打印機的首個“作品”是維克森林大學再生醫學研究院的首字母縮寫“WFIRM”,在這個作品中,細胞“墨水”是被綠色和紅色熒光蛋白標記的細胞。在實驗中,研究人員成功得到了相應形狀的字母,而這樣輸出的細胞能夠在體外正常生長。這意味著,所有的“材料”都是可用的。

  后續的研究表明,無論是2D還是3D結構,打印出來的部件在體外都能夠正常運作。那么,體內呢?利用相同的技術,研究人員利用人羊水干細胞打印出一塊圓形的下頜骨,并將它放在裸鼠體內。在五個月后,他們發現,這些人造骨內部形成了和正常骨組織一樣的導管結構,證明它具備在體內存活生長的能力。

  能夠維持固定的形狀,并且能在體內進一步成熟,這是一個好的開始。不過,組織或者器官可不是簡單的形狀,它們必須還有類似的功能。再往后,阿塔拉研究組利用同樣的技術打印了小鼠的肌纖維,并將之移植到小鼠體內。兩周后,研究人員發現,這些肌肉在形成完好的肌纖維結構的同時,也具備了相應的神經受體。這些受體能夠響應電刺激,并使肌纖維發揮功能??梢?,這些人造組織不但好看,也是好用的。

  微管道技術可輸送養分與氧氣

  同時,研究團隊還采用了微管道技術,使得養分和氧氣可被輸送到植入物所有的細胞中,從而制作出了足夠大的活體組織,解決了臨床上尺寸的問題。由于這項研究有軍方贊助的背景,他們主要的目的可能是幫助那些在戰場上受傷的美國士兵。

  因此,研究團隊還測試了如何按照不同個體需求定制打印不同形狀的植入物。他們使用了臨床成像技術來生成缺損組織的三維電腦模型,并由此引導打印機的噴嘴對細胞進行分配,這大大拓展了該生物打印機的使用范圍。

  對于再生醫學來說,能夠使用3D打印產品進行治療是不折不扣的好消息。利用來自受體的細胞培育的組織不具有排異性,河南3D打印的成本也并不太高。雖然研究團隊還沒有在人體上進行過試驗,但由于他們的研究已經掃清了強度、尺寸甚至于個性化定制問題等多個技術障礙,算是在這個研究領域前進了一大步。

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