清華大學《AHM》再發(fā)綜述：從科幻到現(xiàn)實，3D打印重塑醫(yī)療未來

來源： EngineeringForLife

隨著細胞培養(yǎng)技術(shù)從傳統(tǒng)的2D向復雜的3D模型的演變，人們對更精確地再現(xiàn)體內(nèi)細胞環(huán)境的追求不斷推動著技術(shù)的發(fā)展。盡管2D培養(yǎng)在生物學研究和藥物開發(fā)中發(fā)揮了重要作用，但它們往往無法復制人體內(nèi)復雜的細胞相互作用和生理反應(yīng)。因此，3D細胞培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)運而生，它能更有效地模擬細胞外基質(zhì)（ECM）和天然組織的復雜細胞排列。然而，傳統(tǒng)的微組織工程尚未達到完全復制器官樣結(jié)構(gòu)的精度要求。

3D生物打印作為一種變革性的方法，提供了對微組織空間排列和機械性能的無與倫比的控制，從而解決了這一問題。這項技術(shù)能夠通過生物墨水的詳細分層來制作具有組織樣3D結(jié)構(gòu)的微組織，允許直接構(gòu)建類器官并微調(diào)對組織成熟至關(guān)重要的機械力。此外，3D打印設(shè)備為微組織提供了必要的指導和微環(huán)境，促進了復雜的組織相互作用。盡管3D生物打印在微組織工程中的應(yīng)用前景廣闊，但目前仍面臨一些挑戰(zhàn)，包括生物墨水的開發(fā)、高分辨率血管化的實現(xiàn)以及打印結(jié)構(gòu)的生物活性和長期穩(wěn)定性等。

針對現(xiàn)狀，清華大學的王韞芳以及柳娟團隊聯(lián)合北京印刷學院的韓璐團隊主要探究了3D生物打印技術(shù)在精密微組織工程中的應(yīng)用及其對再生醫(yī)學、疾病建模和藥物篩選等領(lǐng)域的影響。相關(guān)研究以“3D-Bioprinting for Precision Microtissue Engineering: Advances, Applications, and Prospects”為題發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上。   

以下是對目前亟待解決問題的簡要概述

（1）生物墨水的開發(fā)：需要開發(fā)出能夠充分支持細胞活力，同時具備適合打印的流變特性的生物墨水。

（2）高分辨率血管化：在生物打印組織中實現(xiàn)高分辨率的血管化，這對于組織的生存和功能至關(guān)重要，但現(xiàn)有技術(shù)在這方面還存在不足。

（3）打印結(jié)構(gòu)的生物活性和長期穩(wěn)定性：確保3D打印的微組織在體外和體內(nèi)環(huán)境中具有足夠的生物活性和長期穩(wěn)定性。

這篇文章為理解3D生物打印在精密微組織工程中的應(yīng)用和前景提供了深入的分析，并通過探討關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用案例，展示了3D生物打印技術(shù)在再生醫(yī)學和藥物篩選等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

1. 3D生物打印技術(shù)概述
3D生物打印技術(shù)是一種先進的制造技術(shù)，通過逐層沉積生物材料和活細胞來支持微組織工程。

這項技術(shù)從傳統(tǒng)的2D打印演變而來，通過添加過程進行制造，最近作為一種“自下而上”的工程方法出現(xiàn)。3D生物打印技術(shù)能夠精確控制微組織的空間排列和機械性能，從而構(gòu)建具有類似組織結(jié)構(gòu)的3D微組織。它允許直接構(gòu)建類器官并微調(diào)對組織成熟至關(guān)重要的機械力，為微組織提供了必要的指導和微環(huán)境，促進了復雜的組織相互作用。

盡管3D生物打印在微組織工程中的應(yīng)用前景廣闊，但目前仍面臨一些挑戰(zhàn)，包括生物墨水的開發(fā)、高分辨率血管化的實現(xiàn)以及打印結(jié)構(gòu)的生物活性和長期穩(wěn)定性等。   

圖1 本綜述主要關(guān)注點

2. 微組織工程的發(fā)展歷程
微組織工程的發(fā)展歷程始于1993年，當時Langer和Vacanti首次展示了組織工程的概念，這一概念隨后激發(fā)了微組織工程的發(fā)展，重點是創(chuàng)建用于精確生物應(yīng)用的微型功能性組織模型。

傳統(tǒng)的組織工程方法通常采用“自上而下”的策略，其中首先使用3D打印和其他技術(shù)創(chuàng)建組織工程移植物的結(jié)構(gòu)框架。隨后，將高密度種子細胞和生物分子引入預(yù)形成的支架中，以生成用于修復受損組織的組織工程移植物。在1995年，用于細胞培養(yǎng)的聚乙二醇（PEG）水凝膠為微組織工程提供了一個多功能的平臺，使創(chuàng)建模擬天然組織結(jié)構(gòu)的受控3D環(huán)境成為可能，從而進行更準確的細胞行為研究。   

在1998年，隨著人類胚胎干細胞的首次建立，它通過提供用于創(chuàng)建復雜功能性組織模型的通用細胞資源來徹底改變微組織工程，從而增強了個性化醫(yī)學以及對組織發(fā)育和疾病的理解。

圖2 微組織工程發(fā)展歷程

3. 生物墨水的選擇與開發(fā)
生物墨水的選擇與開發(fā)是3D生物打印中的關(guān)鍵步驟。

理想的生物墨水應(yīng)具有適當?shù)臋C械完整性、生物相容性、可調(diào)的生物降解性以及支持大規(guī)模生產(chǎn)的能力。當前，主要使用的生物墨水包括基于細胞外基質(zhì)（ECM）的水凝膠和脫細胞ECM（dECM）基水凝膠。這些材料在調(diào)節(jié)細胞行為、促進組織發(fā)育和疾病建模方面顯示出巨大潛力。此外，納米材料和生物活性分子也被整合到生物墨水中，以增強其功能性和打印性能。

盡管已取得顯著進展，但生物墨水的標準化和優(yōu)化仍然是該領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)，需要進一步的研究來改善生物墨水的打印性能和生物相容性。  

圖3 生物墨水開發(fā)的基本步驟

4. 3D生物打印策略與關(guān)鍵技術(shù)
3D生物打印策略與關(guān)鍵技術(shù)涉及多種打印方法和凝膠化技術(shù)。

常見的3D生物打印策略包括激光輔助生物打印、立體光刻、噴墨生物打印和微擠壓打印等。每種策略都有其特定的應(yīng)用場景和優(yōu)勢，例如激光輔助生物打印能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的材料沉積，而微擠壓打印則適用于大規(guī)模生產(chǎn)。凝膠化方法如光引發(fā)聚合、熱凝膠化、超聲凝膠化和物理凝膠化等，對于形成穩(wěn)定的3D結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。這些技術(shù)的優(yōu)化對于提高打印分辨率、細胞存活率和組織功能具有重要意義。

此外，打印參數(shù)如生物墨水粘度、打印速度和能量輸入等也對打印結(jié)果有顯著影響，需要精確調(diào)控以實現(xiàn)高質(zhì)量的3D生物打印。

圖4 3D生物打印策略

5. 精密微組織工程的應(yīng)用
精密微組織工程在生物醫(yī)學領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，包括基礎(chǔ)細胞研究、疾病建模、高通量藥物篩選和再生醫(yī)學等。

3D生物打印技術(shù)能夠構(gòu)建高度仿生的微組織，為研究細胞行為、組織發(fā)育和疾病機制提供了強大的工具。在疾病建模方面，3D生物打印能夠重現(xiàn)復雜的人體組織微環(huán)境，用于模擬各種疾病狀態(tài)，如癌癥、肝臟疾病等，從而支持個性化醫(yī)療和藥物開發(fā)。此外，通過高通量藥物篩選，3D生物打印技術(shù)能夠加速新藥發(fā)現(xiàn)和評估過程，提高藥物研發(fā)的效率和準確性。在再生醫(yī)學領(lǐng)域，3D生物打印技術(shù)可用于制造復雜的組織結(jié)構(gòu)和器官，有望實現(xiàn)受損組織的修復和再生。

總之，精密微組織工程的應(yīng)用前景廣闊，有望為醫(yī)療健康領(lǐng)域帶來革命性的變革。

圖5 精密微組織工程的應(yīng)用

6. 未來展望與挑戰(zhàn)
盡管3D生物打印技術(shù)在微組織工程中顯示出巨大潛力，但該領(lǐng)域仍面臨一些挑戰(zhàn)。   

首先，生物墨水的開發(fā)是一個重要問題，需要研發(fā)出具有更好生物相容性和打印性能的生物墨水。其次，實現(xiàn)高分辨率的血管化對于提高打印組織的生存率和功能至關(guān)重要，但目前的技術(shù)在這一方面還存在不足。此外，打印結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性和生物活性也是需要解決的問題。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，需要多學科的合作，包括材料科學、生物學和工程學等。

未來，隨著技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新，3D生物打印技術(shù)有望在個性化醫(yī)療、再生醫(yī)學和藥物開發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為醫(yī)療健康領(lǐng)域帶來革命性的變革。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adhm.202403781