3D打印技术又一创新：干细胞分化心脏细胞丨医麦新观察

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2020年8月23日/医麦客新闻 eMedClub News/--近日，新加坡科技设计大学（SUTD）的研究人员利用3D打印技术控制干细胞的分化，成功分化出了心脏细胞。相关研究成果以“Additive manufacturing enables production of de novo cardiomyocytes by controlling embryoid body aggregation”为题发表在Bioprinting上。

研究者3D打印了几个能够精细调整几何形状的微型物理设备。他们使用这些设备观察到，通过胚状体的形成，干细胞的定向分化达到了前所未有的精确。在研究中，研究者成功地调节了提高心肌细胞产量的参数。

“生物3D打印领域正在以无与伦比的速度发展。我们现在看到的精度、速度和成本水平在几年前是不可想象的。我们证明了3D打印现在已经达到了几何精度点，”SUTD的首席研究员助理教授Javier G. Fernandez表示：“在这里，它可以控制干细胞分化的结果。在此过程中，我们推动再生医学的进一步发展，同时也能加速3D打印的进一步发展。”

“3D打印技术在生物学中的应用一直集中在使用细胞打印人工组织，构建人工器官。现在，我们已经证明了3D打印技术有潜力应用于仿生学中，我们可以控制细胞在实验室中的生长，就像它们在体内生长一样，”第一作者Rupambika Das补充道，他是来自SUTD的博士生。

生物3D打印技术

生物3D打印技术已成为体外模型构建的一项重要技术，在组织工程学、生物材料、干细胞与再生医学、肿瘤学、药理毒理学以及药物筛选等领域有着越来越广泛的应用。

2019年4月，以色列特拉维夫大学的研究团队使用人类的脂肪组织，成功3D打印出一颗具有细胞、血管、心室和心房的“人造心脏”。这是世界首例3D打印的人工心脏。相关研究成果以“3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts”为题发表在Advanced Science上。

▲ Tel Aviv大学研究团队 3D 打印心脏的过程 （来源：Tel Aviv University）

2019年5月，美国莱斯大学与华盛顿大学用水凝胶3D打印可以模拟肺功能的气囊，该气囊外形与人的肺部相似，可以给周围的血管输送氧气，且自身的“血管结构”具有足够的硬度，并不会因为血液流动而破裂。

▲ 本研究作为期刊封面

2019年8月，卡耐基梅隆大学的科学家开发出一种全新的“FRESH技术”，又称悬浮水凝胶的自由可逆式嵌入技术，他们用胶原蛋白作为生物墨水，打印出了具有更高分辨率、图案更复杂的、会跳动的“心脏”。该研究突破了生物材料的技术障碍，同时也验证了多种生物材料用作生物墨水的可行性。

2019年11月，仁斯利尔理工大学的研究人员采用3D打印技术生物打印出了完整的有血管的活性皮肤，解决了皮肤移植领域如何让受损肌肤创面与植入物更好地贴合的难题。该研究有望改善人体移植排斥反应。

今年6月，清华大学姚睿特聘研究员团队和捷诺飞生物创始人徐铭恩教授团队在ACS Biomaterials Science & Engineering上合作发表了封面文章“Three Dimensional Printing of Hydrogel Scaffolds with Hierarchical Structure for Scalable Stem Cell Culture”，原创性的提出基于3D打印技术构建具有四级仿生结构的三维支架进行干细胞规模化扩增的方法。

该3D打印干细胞扩增支架具有独特可控的贯通性微观孔隙和宏观通道结构，可均匀吸纳大量干细胞，并保障细胞高速生长代谢中的物质交换（种植后细胞存活率达98.9%）。支架具有良好的力学性能，可实现长期体外培养（弹性模量是水凝胶支架的22倍），并可在无损细胞表型和功能的前提下快速收集细胞。最短仅需4天，即可扩增得到2×10⁸个胚胎干细胞，到达临床使用所需细胞数量的级别。

▲ 本研究作为期刊封面

布局生物3D打印的企业

• Organovo

Organovo公司成立于2007年美国加利福尼亚圣迭戈，是全球生物3D打印领域的领军企业，拥有66项生物3D打印专利，是全球拥有生物3D打印专利最多的公司。

2009年， Organovo公司制造出了世界上第一台生物3D打印机的原型机，并且在2010年被《时代周刊》评为当年50项最佳发明之一。

2014年，Organovo 推出首个商业化生物3D打印产品—— exVive 3D™人类肝组织，该产品用于毒理学和其他临床药物测试。

2016年9月Organovo公司又推出一项新的生物3D打印产品——exVive3D™人类肾脏组织。

2017年2月Organovo成功3D打印出用于肾药测试的微静脉，将3D打印组织用于药物测试和寻找肾病疗法。公司成功将肾脏细胞“绑定”到了能精确模拟天然肾小管的血管结构上，通过添加有毒物质完成了“3D打印肾小管药物测试”的概念验证，成功重建了病变的肾近端小管结构。

• Cyfuse Biomedical

Cyfuse Biomedical 2010年成立于日本东京，致力于生物打印机技术。目前可以打印的对象有：血管，消化系统和泌尿器官，软骨，管状组织，甚至是微型肝脏。

2015年3月，Cyfuse获Shibuya Kogyo和Cyberdyne1200万美元B轮融资。

• Allevi

2014年8月，公司成立于美国宾夕法尼亚州费城，主要研究生物3D打印墨水，2019年，Allevi与Xylyx Bio合作创建肝脏特异性生物3D打印墨水。

• Aspect Biosystems

公司2013年成立于加拿大温哥华，在生物打印和组织工程领域处于领先地位，致力于实现能够根据需要紧密复制自然人类物质的复杂生物组织的生产。

该公司的平台以其Lab-on-a-Printer™3D生物打印技术为动力，该技术可通过微流控打印头同时沉积多种生物材料。公司3D打印组织产品包括3DAirwayALITM、3DBioRingTM Airway。

2015年8月，公司获得种子轮投资。

2017年1月，强生与Aspect Biosystems合作开发3D打印半月板软骨，该合作由DePuy的母公司和制药巨头强生促进。

2020年1月，Aspect Biosystems获2000万美元A轮融资。风险投资公司包括Radical Ventures，Pangea Ventures，Pallasite Ventures和Rhino Ventures。

• TeVido Biodevices

公司2011年成立于美国德克萨斯州奥斯丁，致力于乳房再造术的皮肤组织打印。TeVido主要是通过3D打印皮肤和脂肪细胞，帮助做过乳腺切除术的乳腺癌患者完成乳头移植和乳房重建。

• 3Dynamic Systems
  

公司位于英国布里真德，主要产品为3Dynamic生物打印机，该打印机是一个与细胞相容性高的多功能三维模型创建平台。

该打印机可以同时打印多种细胞及复合基质，细胞成活率达到90%以上。该3Dynamic组织工程工作站可以在骨骼制造、不同的软组织的打印方面进行重建，也可以有效地按照实验要求和需要进行多种组织的打印成型，满足个性化医疗过程中修复材料的需要。打印的组织具有排斥反应低、安全性高的优势。

该生物打印系统提供的多喷头、多材料的生物打印系统，以及基于生物打印系统制备组织工程器官的方法，通过无菌恒温装置控制打印环境的温度，在保证支架材料固化的前提下，又能保证细胞的成活率，使每一层细胞都能得到成长需要的营养，保证细胞在三维环境中生长。

另外，3D Bioprinting Solutions公司、Advanced Solutions公司、Bio3D公司、Cellink公司、EnvisionTEC公司、GeSim公司、Nano3D Biosciences公司、RegenHU公司等都是从事于生物3D打印技术的公司。

结语

生物3D打印技术在再生医学领域的前景令人期待，但现阶段的生物3D打印技术更多作为临床研究的辅助手段，并不能生产真正用于人体的治疗的器官，让我们期待生物3D打印技术的进一步发展，早日用于医学治疗，造福患者。

参考资料：

1.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S240588662030018X?via%3Dihub#!

2.https://medicalxpress.com/news/2020-08-heart-cells-stem-d.html

3.3D生物打印技术联盟：全球生物3D打印领导者系列（一）：美国Organovo公司

4.未知大陆：3D生物打印公司Aspect Biosystems获2000万美元A轮融资

5.火石创造：盘点：全球主要生物3D打印公司介绍

6.药明康德AI：3D打印器官，实现完全“自主存活”还要多久？

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