医学中的3D生物打印技术

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来源:中国科协创新战略研究院《创新研究报告》

编者按：2020年3月，英国议会科学技术办公室（The Parliamentary Office of Science and Technology）发布了一篇名为“医学中的3D生物打印”（3D bioprinting in medicine）的文章。文章介绍了将3D打印技术应用到活体细胞和蛋白质领域以打印出新的医疗用组织和器官的3D生物打印技术，并对该技术的生物制造过程、研究现状、监管情况等进行了介绍。本报告对其主要内容进行了编译。

目前，治疗器官损伤或衰竭的策略是用捐献者的器官替换病变器官。虽然现在的捐献率逐年增长，但是等待捐献者器官的时间仍是个未知数。此外，接受器官移植的患者将面临终生服用免疫抑制药物、生活方式改变及可能存在的器官排斥的高风险。为解决这些问题，再生医学专注于利用再生的可替换细胞、组织或器官进行由于外伤或疾病造成的器官或组织受损修复。

组织工程（Tissue Engineering，TE）作为再生医学的一个分支，设立的目的是开发可植入的、人工合成的组织替代品。英国国家医疗服务体系（National Health Service，NHS）目前已获得许可的TE治疗包括角膜缘干细胞移植以治疗某些形式的失明及自体软骨细胞移植治疗关节炎。许多科学家认为TE的最终目标是合成整个的组织和器官，但该领域尚处于发展的早期阶段。TE治疗方法最大的一个优势是能够为病人量身定制治疗方案。虽然这种方法改进了治疗效果，但由于个性化定制的医疗方案耗时长、费用高、实验条件苛刻，这项研究目前仅限于小规模应用。人们对TE疗法的标准化生产及大规模推广研究越来越期待。3D生物打印技术将有望解决这一系列难题。

一、3D打印技术在医学领域的应用

3D打印是增材制造的一种形式，通过对材料进行选择性的增量分层以形成3D结构来生产产品。目前有三种主要能够应用于医学领域的3D打印方式：3D打印制药（printing of pharmaceuticals）、3D打印结构性医疗器械（printing of structural medical devices）和3D生物打印（3D bioprinting）。其中，3D生物打印是一种以活细胞和生物相容性材料（生物材料）在三维结构上打印类似活体组织结构的新科技手段。

1、3D打印结构性医疗器械

3D打印在医学上通常与结构性医疗器械的生产相关，目前，3D打印技术被用于生产定制外科手术植入物（取代膝盖和髋关节）、外部支持（矫形器）等。用于制造结构性医疗器械的3D打印设备可以打印聚合物或金属。目前，3D打印人工关节的最新成果涉及将微观海绵状设计整合到产品表面，以促进骨细胞植入时生长到结构上及添加抗菌化合物（银）。

2、3D生物打印

3D生物打印是一种打印生物材料和细胞形成组织状产品的技术。这项技术应用过程中用到的细胞和生物材料被称为“生物墨水”，可以打印出能够模仿体内复杂生物结构的组织。3D生物打印技术目前的研究重点是制造患病组织模型，这些模型可以替代实验动物测试新药。这项技术还被用来进行新的医学疗法研究。这种利用生物打印制造像组织一样的材料的技术被称为“生物制造”。

二、生物制造过程的各个阶段

生物制造产品（打印组织或器官）的生产有三个重要阶段:成像和设计（imaging and design）、生物墨水的选择（bioink selection）、打印和成熟（printing and maturation）。

1、成像和设计

该过程需要创建虚拟计算机辅助设计（computer-aided design，CAD）文件。包含必要的3D信息，以通知打印机在制造过程中打印的位置和内容。CAD软件可以将医学图像（MRI扫描）转换成虚拟3D格式。

2、生物墨水选择

3D生物打印过程的一个关键因素是生物墨水的设计。生物墨水是用来制造仿生组织结构的，理想的生物墨水应该具备以下条件：一是保持正确的物理属性以便打印。二是满足反应（凝胶）的需求，能够塑造一个三维形状。三是生物相容性,在有毒产品中不降解。四是具有活体组织的机械相似属性。五是在机体中能够支持细胞的生长。

具有这些特性的材料主要包括天然蛋白质，如明胶和丝。将它们制成液体溶液，需要打印时，就可以按需制备半固体材料。由于生物墨水是用来制造组织状结构的，因此，它可能还含有活细胞，但将细胞添加到生物墨水中会使其变得更加细腻，打印难度更高。

3、打印和成熟

根据墨水喷射机理的不同，有多种生物打印技术可以选择。常用的方法有三种：

一是喷墨打印（Inkjet printing）。使用在打印后凝胶化的液体生物墨水。喷墨打印通过增加生物墨水的压力使其从打印头喷射出来起作用。由于这种打印方法可以打印单个细胞，因此可以以最高的细节（分辨率）进行打印，但由于细胞会结块阻塞打印头，因此无法打印具有高细胞浓度的生物墨水。

二是阀门打印（Valve printing）。使用液体生物墨水。阀门打印通过按需打开/关闭打印喷嘴来进行操作，以使生物墨水沉积。阀门打印比喷墨打印的分辨率低，但可以打印更大范围的细胞浓度的生物墨水。

三是微挤压（Microextrusion）。使用由打印机在压力下挤出（推出）的凝胶生物墨水。由于其增加了打印喷嘴直径，所以能够处理的细胞浓度最高，但分辨率最低。大多数商业生物打印都利用该技术，因为它是最便宜且最容易获得的生物打印方法。

目前，科研人员正在对上述方法进行研究，以探求它们可能适用的不同应用范围。但是这三种方法都有受到两个限制：一是存在于人体组织中的细胞的自然密度很高，目前这些方法很难实现该浓度。二是当前对分辨率的限制意味着可能难以制造人体内更复杂的结构，如毛细血管。研究人员正在研究新的生物打印方法来突破这些限制。在现有的3D生物打印方法的基础上开发的新技术主要有活性喷射撞击（Reactive jet impingement）和悬浮层加法制造（Suspended layer additive manufacturing）。

活性喷射撞击技术是由纽卡斯尔大学研发的一种利用一个多阀喷头来喷射两种不同液态生物墨水的技术，两种生物墨水可以在半空中发生碰撞反应形成凝胶，然后落在印刷基板上。该技术允许快速打印带有细胞的凝胶生物油墨，且细胞浓度接近人体组织中的细胞浓度。

悬浮层加法制造技术是由哈德斯菲尔德大学和伯明翰大学研发的。它通过微挤压打印机和具有支撑性的凝胶打印精致的3D结构，一旦打印物凝固，凝胶就可以被冲走，留下被打印的完好无损的结构。

打印后的3D构造将进入一段成熟期。成熟期阶段，生物墨水中的细胞（或在打印后添加到生物制造的构建体中）粘附并适应结构。适应后，细胞可能会开始自组装由于技术限制而无法打印的生物学特征。成熟后，将对临床上的生物打印构造进行准确的功能性评估，如果获得批准，可用于临床。

三、3D生物打印研究实例

1、肺 

肺的核心功能单位是肺泡，肺泡是气体（氧气）进入毛细血管的地方。美国的一些大学研发了一种水凝胶，可以模仿血管通道。当红细胞被泵出并通过这些通道时，能够获得氧气（图1）。

图1 3D生物打印的水凝胶肺泡结构

2、卵巢 

美国西北大学的研究人员已经打印出能够维持卵泡生活的明胶结构。当这些人造卵巢被移植到绝育小鼠的体内时，可以发育出血管和卵泡并且自然成熟。人工植入的卵巢能够使受精卵在母体内发育到足月出生，母体也能哺乳，并表现出正常的激素功能。

3、角膜（基质）

纽卡斯尔大学的研究人员利用微挤压打印技术打印了角膜的一部分（眼球前部的透明部分）。他们造出了胶原蛋白和包含人类角膜细胞的海藻酸生物墨水，并打印成一个定制的角膜模具，模具去除后留下的便是透明的角膜组织。

值得注意的是，以上这些研究仍然是概念验证研究，离人类临床试验还有很长的路要走。

四、3D生物打印技术面临的生物挑战

3D生物打印技术是一个发展迅速的领域，这类研究的总体目标是制造出供再生医学使用的器官和组织。然而，要实现此目标仍有许多挑战需要克服。主要包括:

（1）组织异质性。组织和器官由各种不同类型的细胞组成。先隔离后打印每种类型的细胞，并确保它们位于解剖学上的对应位置和并能充分发挥作用仍然是一个挑战。

（2）血管。血液供应几乎是所有组织的一个关键功能。没有血液供应，大多数组织会迅速死亡。重新创建这个血液供应网络非常困难，尝试打印血管（内皮）或使用激素促进其增长的探索正在持续进行。

（3）组织和器官排斥。用于打印的生物材料可能会引发来自病人的免疫排斥反应，特别是当打印的生物构造体包含来自捐献者的细胞时。

当使用含有细胞的生物墨水打印时，关于生物墨水使用自体细胞或供体细胞（同种异体细胞）利与弊的争论一直持续。自体细胞的一个主要优势是低免疫排斥的风险，但如果患者有遗传疾病，他们的细胞可能需要进行基因编辑修复后才能使用。此外，打印一个组织或器官所需的大量细胞取自同一个患者个体也是非常困难的。使用异体细胞可以克服这一点，因为大型标准化批量生产的细胞可以预先准备好并储存在细胞库中，在需要时提取。缺点是由于这些细胞来自另一个捐赠者，患者需要服用药物来降低免疫排斥的风险（可能持续一生）。

五、监管问题

由于生物制造是一项新技术，所以目前还没有关于什么是生物制造产物的精确法规定义。根据构造物的性质和制造过程，可能会有一些适用的欧盟和英国法规，包括有关药品和生物材料、化学成分或动物衍生成分的法规。可能适用于生物制品的最相关的欧盟法规是《先进治疗药物》（ATMP）、《医疗器械》①。但是，脱离欧盟后，英国法规是否与欧盟法规保持一致尚不确定。负责监督生物制造过程及其产品使用情况的英国和欧盟监管机构包括：

（1）人类组织管理局（Human Tissue Authority，HTA）根据《2004年人类组织法》（Human Tissue Act 2004）和欧盟《组织与细胞指令》（EU Tissue and Cells Directives）对人类组织用于医学治疗研究的移出、存储和使用进行监管。（2）药品和保健产品监管局（Medicines and Healthcare products Regulatory Agency，MHRA）监管英国使用的药品、医疗器械和血液成分的安全、质量和功效。随着英国脱离欧盟，MHRA还成立了跨机构的英国脱欧工作组，以管理对该行业的监管影响。（3）欧洲药品管理局（European Medicines Agency，EMA）规范监管市场药品的申请，并对欧盟的先进疗法药物进行分类。

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