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3D生物打印让我们离人造器官越来越近

2020-7-29 13:15 阅读: 43 评论: 0 来源: 中国医药报 编辑: ygzx1
[导读]3D打印又名增材制造,是基于计算机辅助(CAD/CAM)、断层扫描(CT)或核磁(MRI)技术形成数据,然后通过分层加工、逐层叠加方法来构建三维架构的技术。3D打印具有可个性化定制、精度高等特点,在构建复杂微观结构方 ...
3D打印又名增材制造,是基于计算机辅助(CAD/CAM)、断层扫描(CT)或核磁(MRI)技术形成数据,然后通过分层加工、逐层叠加方法来构建三维架构的技术。3D打印具有可个性化定制、精度高等特点,在构建复杂微观结构方面具有显著优势,近年来在医学领域广泛应用。
    实现器官再生
3D打印技术目前较多应用于人体硬组织打印,如组织模型、植入式医疗器械等,该技术已经比较成熟。在组织模型方面,有研究基于超声数据进行3D打印,成功制作出左心耳模型,辅助左心耳封堵手术前评估,可直观展示左心耳结构、直径等因素如何影响封堵器释放,优化手术操作;还有研究通过3D打印技术打印出患者个性化定制二尖瓣环模型,可更好地对患者二尖瓣环几何构造、大小及形状进行术前评估。植入式医疗器械的3D打印研究也在不断发展,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。
除了应用于硬组织领域之外,人体软组织3D打印也是当下研究热点,如打印功能血管网络、人工心脏、人工皮肤等。2016年,四川蓝光英诺公司利用3D打印技术打印出生物性人工血管,并成功植入恒河猴体内,极大地推动了我国3D打印器官在器官移植方面的应用。2019年,Science杂志封面文章报道了3D打印人体器官中错综交缠的血管网络,3D打印已可以构建具有模拟肺泡的,可以运输空气、淋巴液等物质的管道,预期可帮助组织工程领域学者更好地理解3D打印器官,促进人造器官研究的发展。2019年4月,以色列特拉维夫大学研究人员宣布,他们利用患者自身细胞和生物材料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,在全球尚属首例。
与打印硬组织主要采用的普通3D打印技术不同,软组织3D打印需要依赖于更加复杂的3D生物打印技术。
    3D生物打印技术及材料
3D生物打印是基于3D打印技术发展起来的,具有重要的研究意义及广阔的应用前景。通俗来讲,3D生物打印是通过3D打印技术,将含有活细胞的生物相容性材料打印成三维功能化的活组织。在再生医学领域,3D生物打印具有独特优势。
3D生物打印的关键因素包括打印方法、生物相容性材料和细胞。
    三类打印方法各具特点
3D生物打印的技术条件相对苛刻,且影响因素较多,主要打印技术分为三类:喷墨生物打印、微挤出生物打印和激光辅助生物打印。
喷墨生物打印利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。该方法的优点是速度快、费用低、适用范围广泛、细胞和材料浓度可调,但存在必须采用液体材料、喷嘴易堵塞等缺点。喷墨打印技术在人体功能结构再生方面具有非常大的潜力,目前主要用于皮肤和软骨原位再生。
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轴方向控制,获得三维空间结构。该方法适用的材料黏度范围广泛,高黏度材料通常用于支撑结构,低黏度材料常被用来提供细胞外环境以维护细胞活性。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,温敏性材料在室温下呈流动状态,能够与其他材料共同挤出,在温度接近体温时交联固化;剪切稀释材料的黏度随剪切率增大而减小,这一特性恰好满足挤出工艺。微挤出生物打印技术最主要的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。该技术虽然打印高分辨复杂结构所用时间较长,但能够打印的产品类型较多。目前,该技术已被用来制造多种组织和模型,包括主动脉瓣膜、分支血管树、体外药物代谢和肿瘤模型等。
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产生高压气泡,高压气泡将含有细胞的打印材料推动到承接基体上,从而构建三维结构。该技术的优点为分辨率高、细胞沉积密度高,但对交联速度要求高且费用高,目前应用较少。
    常见材料性能不同
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。目前最常用的材料分为两大类:天然高分子材料和合成高分子材料(见表)。
    干细胞是理想细胞材料
用于3D生物打印的细胞,需要尽量接近人体生理状态,能够保持机体功能,并且具有一定的增殖分化能力。干细胞具有多种分化能力,有再生组织与器官的潜能,是最适合3D生物打印的一类细胞。目前,在3D生物打印领域应用已经比较成熟的细胞主要是间充质干细胞,如骨髓间充质干细胞、脂肪间充质干细胞等。此外,诱导多功能干细胞(iPSC)也适用于3D生物打印。
    积极引导产业发展很关键
3D生物打印技术已越来越多地融入医疗领域,特别是医疗器械领域,但由于该技术与硬组织3D打印技术差异较大,目前的监管法规和手段难以满足对其进行科学监管的需求。
目前,各个国家和地区的医疗器械监管部门已开始积极针对3D打印技术制定相关政策和标准。如2017年12月,美国FDA发布《3D打印医疗产品技术指导意见》,对应用3D打印技术制造医疗器械应该考虑的风险点和要求进行了详细说明;欧盟医疗器械法规(MDR)中虽然没有针对3D打印医疗器械的规定,但有专门章节描述应用3D打印技术的产品,即个性化定制医疗器械。我国一直重视3D打印技术在医疗领域的应用,近几年,《定制式医疗器械监督管理规定(试行)》《无源植入性骨、关节及口腔硬组织个性化增材制造医疗器械注册技术审查指导原则》《增材制造标准领航行动计划(2020-2022年)》等文件陆续发布。
但从各个国家和地区发布的医疗产品3D打印相关政策和指导文件可以看出,这些文件更多是集中于硬组织3D打印,很少专门针对软组织3D生物打印。因此,需进一步关注软组织3D生物打印技术,制定科学监管要求,引导3D生物打印技术领域科学、健康、创新发展。
(摘自中国医药报)
关键词:打印,生物,技术,材料,细胞

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