3D生物打印构建功能化软组织

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发布时间：2020-05-29
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（原创 2020-05-28 CMDE 中国器审）
　　3D打印（Three-Dimensional Printing, 3DP）又名增材制造（Additive Manufacturing, AM），由Charles W. Hull首次提出，是基于计算机辅助（CAD/CAM）、断层扫描（CT）或核磁（MRI）形成数据，然后通过分层加工、逐层叠加方法来构建三维架构的技术^[1]。3D打印具有个性化定制、精度高等特点，在构建复杂微观结构方面具有显著优势，因而近年来在医学领域开始广泛应用，持续推动着医疗领域的重大创新。
　　一、3D打印技术
　　3D打印技术目前较多应用于人体硬组织的打印，如组织模型、导入器械等，该技术已经比较成熟。Liu课题组基于超声数据进行3D打印，制作左心耳模型，辅助左心耳封堵手术前评估，可直观展示封堵器释放的影响因素（左心耳个性化结构、直径等），优化手术操作。Owais等通过3D打印技术打印出患者个体化的二尖瓣环，可更好地评估术前二尖瓣环几何构造、大小及形状。^[2]
　　3D打印可植入器械的研究也在不断发展，例如北京阿迈特医疗器械科技有限公司利用3D打印技术制造的生物可降解冠状动脉药物洗脱支架产品，目前已在我国获批开展境内临床试验研究。

图1：3D打印的功能化血管网络

　　除了在硬组织领域应用之外，软组织的3D打印如打印功能血管网络、人工心脏、人工皮肤等，也是当下研究热点。
　　（1）2019年，science封面文章报道了通过3D打印技术制作的人造器官中的错综交缠的血管网络，构建具有模拟肺泡的、功能性的运输空气、淋巴液等物质的管道（如图1），预期帮助组织工程领域的科学家更好地理解3D打印器官，促进“人造器官”研究的发展^[3]。

图2：首例3D打印完整心脏

　　（2）以色列特拉维夫大学研究人员利用患者自身细胞和生物材料，首次成功设计和打印出充满细胞、血管并有心室和心房的完整心脏（如图2）^[4]。
　　（3）四川蓝光英诺公司利用3D打印技术打印了生物型人工血管，并植入恒河猴体内，推动了我国打印器官用于人类移植方面的发展^[5]。
　　然而，软组织的3D打印需要依赖于3D生物打印技术，目前仍面临众多挑战。
　　二、3D生物打印技术
　　3D生物打印（3D Bioprinting）是基于3D打印技术发展起来的，具有重要的研究意义及应用前景。通俗来讲，其通过3D打印技术，将含有活细胞的生物相容性材料打印成为三维功能化的活组织。所以，3D生物打印被用于再生医学领域，将发挥特殊优势。
　　3D生物打印的关键因素包括打印方法、生物相容性材料、细胞。与普通打印相比，3D生物打印涉及更多额外的复杂性，如材料的选择、细胞类型、生长因子，以及与活细胞敏感性和组织结构相关的技术挑战。
　　（一）3D生物打印方法
　　普通3D打印方法主要有多种，包括：熔融沉积打印(fused deposition modeling, FDM)、电子束熔化成形（electron beam melting，EBM）、光固化立体印刷(stereo lithography appearance, SLA)、三维喷印（three dimension inkjet printing， 3D IP）、选择性激光烧结(selective laser melting, SLM)等^[6]。
　　考虑到用于3D生物打印的苛刻条件和关键影响因素，例如表面分辨率、细胞活力和用于印刷的生物材料，能够用于生物打印的技术主要分为三类：喷墨生物打印（inkjet bioprinting）、微挤出生物打印（microextrusion bioprinting）和激光辅助生物打印（laser-assisted bioprinter）（如图3）^[7]。这些方法在3D生物打印中的不同特点列于下表（见表1）。

图3：3D生物打印方法示意图 a）喷墨生物打印；b）微挤出生物打印（通过气动或机械力进行连续挤出）；c）激光辅助生物打印（通过可吸收激光的基底材料产生脉冲压力）

表1：三种3D生物打印方法对比

　　1.喷墨生物打印
　　喷墨生物打印采用电加热产生空气脉冲，或者通过压电、超声等方法产生脉冲，然后在喷嘴处形成液滴，该方法优点是速度快、费用低、适用范围广泛、细胞和材料浓度可调（浓度梯度），但具有必须采用液体材料、喷嘴阻塞等缺点。目前喷墨生物打印方法一般应用于功能皮肤和软骨的原位再生，并且保持高细胞活性和功能性。喷墨打印技术对于功能结构再生具有非常大的潜力。
　　2.微挤出生物打印
　　微挤出生物打印是一种简单通用的方法，通过机械力的挤压作用，能够使样品池中的材料被连续挤出，然后通过在X、Y、Z轴方向的控制，获得三维空间结构。从材料粘度方面，该方法适用的材料对粘度范围广泛（见表1），高粘度材料通常提供结构支撑作用，低粘度材料常被用作为维护细胞活性而提供细胞外环境。从材料特性方面，比较有代表性的材料包括温敏性材料和剪切稀释材料。例如有些材料在室温下呈流动状态，能够与其他材料共同挤出，然后在体温时 交联固化；剪切稀释材料的粘度随剪切率增大而减小，这一固有特性恰好满足挤出工艺。
　　微挤出的最主要优点是能够沉积高的细胞密度，有利于满足组织工程需要，缺点是细胞成活率低。微挤出生物打印已经被用来制造多种组织，包括主动脉瓣膜^[8]、分支血管树^[9]、体外药物代谢^[10]和肿瘤模型^[11]等。虽然打印高分辨复杂结构所用时间较长，但是目前该打印策略已经能够打印的产品比较广泛。
　　3.激光辅助生物打印
　　激光辅助生物打印的原理可以简单概括为，激光脉冲作用于能量吸收层上，然后产生高压气泡，推动含有细胞的打印材料到承接基体上，构建三维结构。优点为高分辨率、能够沉积、高细胞密度。由于该方法要求快速交联、花费高，目前应用较少。
　　（二）材料
　　相比于普通3D打印，3D生物打印技术要求材料具有生物相容性，且能够提供目标组织的功能性，例如机械性能。目前最常用材料分为两大类：天然高分子和合成高分子。3D生物打印材料对比见表2，用于生物打印的理想材料性能要求见表3。

表2：3D生物打印材料对比

表3：用于生物打印的理想材料性能要求

　　（三）细胞
　　用于打印的细胞，需要尽量接近体内生理状态、保持体内功能，并且具有一定的增殖分化能力。目前用于3D打印已经比较成熟的细胞主要是间充质干细胞，例如骨髓间充质干细胞、脂肪间充质干细胞等。干细胞具有多种分化能力、再生组织与器官的潜能。诱导多功能干细胞（iPSC）也适合3D生物打印。
　　三、3D医疗器械监管建议
　　3D生物打印技术已愈来愈多地融入到医疗领域，特别是医疗器械领域，鉴于该技术为医疗领域发展带来革命性变化以及同硬组织3D打印技术的差异性，目前的监管法规和手段已不足以对其进行科学监管。其他国家的监管部门已开始积极针对3D打印技术提出指导意见，但更多的是集中于硬组织的3D打印，而不是3D生物打印领域，例如美国FDA发布的增材制造指南^[12]。因此，针对软组织的3D生物打印技术，尚需进一步关注，制定科学监管要求，引导3D生物打印技术领域的科学、健康、创新发展。

参考文献：
[1].Kaufui V. Wong and Aldo Hernandez. A Review of Additive Manufacturing. doi:10.5402/2012/208760
[2].周燕翔，胡伟，郭伟强。基于超声数据的3D打印技术在心脏领域的应用进展。临床超声医学杂志 2018 年8月第20卷第8期。
[3].Bagrat Grigoryan1, Jordan S. Miller et al. Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels. Science 364, 458–464 (2019).
[4].https://mp.weixin.qq.com/s/as9MG1j-nxqYXlX06_wAng.
[5].https://www.guancha.cn/YiLiao/2016_12_16_384638.shtml.
[6].甄珍，刘斌。3D打印钛金属骨科植入物应用现状。中国生物医学工程学报。38卷2期（2019年4月）。
[7].Murphy, S. V., Atala, A. 3D bioprinting of tissues and organs. Nature biotechnology, 32(8), 773.
[8].Duan, B., Hockaday, L.A., Kang, K.H. & Butcher, J.T. 3D bioprinting of heterogeneous aortic valve conduits with alginate/gelatin hydrogels. J. Biomed. Mater. Res. A 101, 1255–1264 (2013).
[9].Norotte, C., Marga, F.S., Niklason, L.E. & Forgacs, G. Scaffold-free vascular tissue engineering using bioprinting. Biomaterials 30, 5910–5917 (2009).
[10].Chang, R., Nam, J. & Sun, W. Direct cell writing of 3D microorgan for in vitro pharmacokinetic model. Tissue Eng. Part C Methods 14, 157–166 (2008).
[11].Xu, F. et al. A three-dimensional in vitro ovarian cancer coculture model using a high-throughput cell patterning platform. Biotechnol. J. 6, 204–212 (2011).
[12].Technical Considerations for Additive Manufactured Medical Devices.

审评三部 连小奇 程茂波 供稿