3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域最新進展

來源：DT新材料  

作為新型的快速成型的制造技術(shù)，3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的成型技術(shù)相比有著本質(zhì)差別，在個性化定制、精準(zhǔn)化醫(yī)療等方面，都體現(xiàn)出傳統(tǒng)醫(yī)療不可比擬的優(yōu)勢。這源自于各個學(xué)科領(lǐng)域的整體發(fā)展，近些年在醫(yī)療領(lǐng)域大量新技術(shù)得以誕生。從傳統(tǒng)宏觀的義肢制造到微觀的人體組織制造邁出了很大的一步。不同的打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域最新的應(yīng)用和發(fā)展遠遠超出傳統(tǒng)技術(shù)在這一領(lǐng)域的價值。

近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院醫(yī)藥所退行性中心的阮長順、潘浩波和哈爾濱工業(yè)大學(xué)富宏亞多團隊交叉協(xié)作，提出一種可用于擠出式3D打印的仿天然骨組織“松質(zhì)骨-皮質(zhì)骨”徑向連續(xù)孔隙調(diào)控的骨組織工程支架構(gòu)筑策略，將分形學(xué)理論結(jié)合骨組織工程支架生物制造中，克服了傳統(tǒng)擠出式3D打印技術(shù)難以實現(xiàn)徑向梯度孔隙結(jié)構(gòu)的困難。

臨界骨缺損修復(fù)作為骨科面臨的主要問題之一嚴(yán)重影響人們的健康和生活質(zhì)量。人體天然骨組織由高孔隙率的松質(zhì)骨和低孔隙率的密質(zhì)骨組成，具有緊密的徑向梯度結(jié)構(gòu)。如何實現(xiàn)骨植入修復(fù)材料具有天然骨組織徑向梯度結(jié)構(gòu)一直是骨組織工程研究領(lǐng)域的難點。擠出式3D打印，因其操作簡單、可用材料范圍廣、易于細胞打印等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用，目前雖有一些文獻通過調(diào)整擠出絲束直徑和分布間距等參數(shù)來設(shè)計具有軸向梯度孔隙的支架，但對于支架沿徑向梯度變化的研究仍具挑戰(zhàn)。

鑒于此，該團隊受分形理論的啟發(fā)，基于科赫雪花的迭代規(guī)則設(shè)計、定義了分形支架的分形曲線的單元線條。通過將分形單元線條進行圓周陣列得到分形層，并設(shè)計圓環(huán)層使其在擠出式3D打印堆積成型的過程中與分形層相互支撐。此外，為了參數(shù)化構(gòu)建徑向梯度骨組織工程支架，還搭建了“設(shè)計-分析-制造”的工作流。研究結(jié)果表明所構(gòu)建的仿生徑向梯度支架在孔隙結(jié)構(gòu)、滲透性能、機械性能等方面展現(xiàn)優(yōu)異的梯度特征。

該項目得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然基金、中國科學(xué)院青促會、廣東省及深圳市基礎(chǔ)研究等項目資助。

由于關(guān)節(jié)骨-軟骨組織結(jié)構(gòu)及組成的復(fù)雜性，骨-軟骨缺損的一體化修復(fù)目前是醫(yī)學(xué)上亟需解決的難題。細胞3D打印是一種先進的生物制造技術(shù)，利用該技術(shù)可以實現(xiàn)多種材料、多種細胞和生物活性因子的精確定位與分布，為復(fù)雜組織和器官再造奠定基礎(chǔ)。關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨各向異性的生理特性和雙向分化的需求使骨-軟骨組織的仿生重建面臨巨大的挑戰(zhàn)。因此，根據(jù)軟骨和軟骨下骨中不同的細胞類型和生理需求，開發(fā)出能夠同時模擬骨-軟骨組織結(jié)構(gòu)和功能特性的3D多細胞支架尤為重要。

近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員與常江研究員帶領(lǐng)的研究團隊在生物3D打印多細胞支架用于骨-軟骨復(fù)雜組織再生方面取得重要進展。該研究團隊通過設(shè)計含無機生物活性材料的生物墨水的組成以及多種細胞的空間分布，利用多細胞生物3D打印技術(shù)構(gòu)建了含軟骨細胞和間充質(zhì)干細胞的多細胞體系，制備出的多細胞支架模擬了骨-軟骨組織各向異性的生理環(huán)境，能夠高效促進骨-軟骨復(fù)雜組織修復(fù)。

將含有LMS生物陶瓷的生物墨水與多細胞相結(jié)合，通過3D生物打印方法制備模擬骨-軟骨組織的雙層多細胞支架修復(fù)骨-軟骨缺損

生物3D打印的多細胞支架具有良好的細胞增殖行為和可控的空間細胞分布。
（A）生物3D打印多細胞支架的打印過程。
（B）含有不同濃度LMS生物陶瓷的多細胞支架中細胞增殖情況。
（C）含有不同濃度LMS生物陶瓷的多細胞支架的光學(xué)照片及活/死細胞染色照片（活細胞：綠色；死細胞：紅色）。
（D）在生物3D打印支架中，兩種細胞的空間分層分布（上層的軟骨細胞用紅色熒光標(biāo)記，下層的間充質(zhì)干細胞用綠色熒光標(biāo)記）

生物3D打印的多細胞支架對于兔骨-軟骨缺損的修復(fù)效果。組織學(xué)分析表明，生物3D打印支架對于軟骨和軟骨下骨組織的再生均具有促進作用。
（A）番紅O/快綠組織學(xué)染色圖像。
（B）Van Gieson組織學(xué)染色圖像。
（C）根據(jù)O’Dorscoll分級系統(tǒng)對各組的修復(fù)情況進行組織學(xué)評分

該團隊首先開發(fā)了基于Li-Mg-Si（LMS）生物活性陶瓷的生物墨水，并利用細胞生物3D打印技術(shù)，通過控制生物墨水及細胞的組成和分布，構(gòu)建了含有軟骨細胞和間充質(zhì)干細胞的多細胞體系，以模擬骨-軟骨組織各向異性的生理環(huán)境。生物打印的多細胞支架被設(shè)計為兩層，其中軟骨層為負載軟骨細胞的水凝膠生物墨水，軟骨下骨層是負載有間充質(zhì)干細胞的含LMS生物陶瓷的生物墨水。細胞和生物墨水的這種組成和空間設(shè)計能夠滿足軟骨和軟骨下骨中不同細胞增殖和分化的需求。含LMS生物陶瓷的生物墨水不僅可以模擬骨骼中的無機成分，而且還可以釋放出多種生物活性離子以誘導(dǎo)不同細胞朝著特定的方向分化，從而同時促進軟骨和軟骨下骨的再生。生物3D打印的多細胞支架顯示出優(yōu)異的細胞活力、空間分布和遞送效率，其在體外能夠調(diào)節(jié)多種細胞的分化行為，并在體內(nèi)有效促進了大塊骨-軟骨缺損的修復(fù)。

這種基于生物陶瓷墨水的多細胞生物3D打印策略的主要優(yōu)勢在于：
（1）僅使用一種無機生物材料的生物墨水，為多種細胞的生長和分化提供了有利的微環(huán)境；
（2）利用多細胞3D生物打印技術(shù)，可構(gòu)建無界面的多層細胞支架來模仿骨-軟骨復(fù)雜組織，并在三維空間中精準(zhǔn)地排布不同類型的細胞（軟骨細胞和間充質(zhì)干細胞）。這種新策略為人體復(fù)雜組織和器官再造提供了新思路。
相關(guān)研究得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院創(chuàng)新交叉團隊等基金的支持。

目前3D打印已被列入新材料“十四五”規(guī)劃的重點發(fā)展對象。隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的開展，將為推動中國制造業(yè)的快速發(fā)展轉(zhuǎn)型注入強大動力。為深入探討3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢引領(lǐng)中國3D打印事業(yè)高質(zhì)量健康發(fā)展，促進交流，助推高分子相關(guān)領(lǐng)域的深度融合及應(yīng)用。！