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25 Dec 2018, 8:54

生物3D打印之概况

1  生物3D 打印的概念

随着生物3D 打印的发展,其概念也在不断地延伸,目前可分为广义及狭义2 个概念:广义上,直接为生物医疗领域服务的3D 打印都可视为生物3D 打印的范畴,而从狭义上,通常指操纵含细胞的生物墨水去构造活性结构。

从广义上来分,生物3D 打印大致可划分为4 个层次:

第一层次为制造无生物相容性要求的结构,比如目前广泛应用于手术路径规划的3D 打印;第二层次为制造有生物相容性要求、不可降解的制品,比如钛合金关节、缺损修复的硅胶假体等;第三层次为制造有生物相容性要求,可降解的制品,比如活性陶瓷骨、可降解的血管支架等;第四层次就是狭义生物3D 打印,即操纵活细胞构建仿生三维组织,也可称之为细胞打印,比如打印药物筛选及机理研究用的细胞模型、肝单元、皮肤、血管等。在狭义的概念上,细胞打印与生物3D 打印概念可以互换。

2  生物3D 打印意义

生物3D 打印总是和组织工程及再生医学紧密相连,其中组织工程是手段,组织再生是目的。组织工程是指先将细胞沉积在生物支架上形成细胞−材料复合物,然后将含细胞支架植入体内,利用体内环境进行诱导形成相应的组织或器官,实现创伤修复和功能重建。目前组织工程的难点在于多细胞空间定位和不同细胞密度的沉积。生物3D 打印的优势就在于多细胞空间定向操控及不同细胞密度的可控沉积恰好可以解决组织工程目前所面临的难题。

体外制造活性组织/器官一直以来就是人类追求的目标,原因有两个:第一是目前器官移植缺口巨大,无论是国内还是国际上,由于器官捐献量不足,配型的成功率也不高,需要器官移植的病人能做的事情主要是等待。因此,随着科技的发展以及人类对健康的重视,体外制造活性器官必然会成为一个研究热点。第二是目前医学机理机制研究需要更为精准的体外模型,传统的解决方案是基于细胞二维培养及动物实验。细胞二维培养和真实体内的三维环境相比差异太大,有些情况下还有可能出现互相矛盾的结果,导致其参考价值有限。动物实验除了有很多伦理学的问题外,最为关键的是动物的体内环境和人体环境有很大的差别。 如果能在体外采用人体细胞重构出组织/器官所在的三维环境,无疑可以很好地弥补现有解决方案的缺陷,并且这一体外器官的构建可以广泛应用于药物筛选及疾病机理探究。

3  生物3D 打印进展

器官远比人们想象的要复杂得多:其一,很多内在的发育机理机制在生物学上还有待更深的研究;其二:重现体内的精细结构对制造而言也是一大难题。以血管为例,血管是一个看起来结构简单的器官,但实际上血管除了有多层不同的细胞组织结构(典型血管主要有内皮、平滑肌及成纤维细胞构成)外,血管壁的选择性通透、血管壁的弹性及抗凝等功能都使得体外制造活性血管以替换体内病变血管具有相当大的难度。对于医学机理机制研究需求,主要是在体外构建模拟体内的三维生物环境,目前研究集中在高通量药物筛选、器官发育及病变机理等方面。基于以上原因,目前还无法通过体外构建组织或器官解决目前器官移植公园不足的问题。

生物3D 打印成为体外构造活性的三维细胞结构最为理想的手段。目前社会上对生物3D 打印存在一定的误解,很多人认为生物3D 打印已经无所不能,什么材料都能打印,基于这一技术很快就可打印心脏、肝、肾、肺等器官并实现器官移植。 事实上,生物3D打印还远未达到最初器官打印的设想,体外打印能够用于移植的活性器官还有相当长的路要走。因为目前可以打印出含细胞的结构,但是打印的结构仅仅在外形及结构上类似体内组织器官,结构内的细胞只具有简单的协同功能,与真实器官的复杂生理功能还有很大差距。这也是目前生物3D打印面临的最大难题。

YuWang 还没写个人简介...

25 Dec 2018, 8:54