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16 Jan 2019, 4:12

生物3D打印之应用

由于生物3D打印不仅可以制造特定形状的结构,而且可以提供细胞三维培养环境,生物3D打印在组织器官的制造中有着广泛地应用,目前主要用于软骨、皮肤、血管、肿瘤模型及其他复杂器官的打印。

软骨打印

软骨组织的细胞组成比较简单,并且没有复杂的毛细血管,因此用生物打印制造软骨组织的研究比较多。

如上图(a)所示,Cui等利用挤出式生物打印工艺将软骨细胞和高分子聚合物一起打印出来,制造关节组织,并用于软骨修复。半月板在人体膝关节起负重作用,由于伤病和运动导致的半月板损伤很难治疗,一些学者希望通过生物打印的方法体外重建半月板结构。如上图(b)所示,Narayanan等利用挤出式生物打印将人脂肪干细胞和PLA纤维、海藻酸钠水凝胶打印成半月板形状,研究表明:添加纤维提高了细胞的增殖能力,并且使细胞分泌了胶原和蛋白聚糖,证明已有软骨形成。据报道,通过生物打印的方法可制造出更加复杂的软骨结构。Armstrong等用海藻酸钠和泊洛沙姆(Pluronic-F127)混合水凝胶来打印鼻子结构.

皮肤打印

皮肤是人体最大的器官,起维持体内平衡和保护作用,其垂直的分层结构为体内水分和小分子的出入以及外源物的进入提供了屏障。这种典型的分层结构非常适合采用生物打印来制造,已有很多研究报道。

如图(a)所示,Koch等用激光直写式生物打印方法,将成纤维细胞和角质细胞混在胶原里打印成分层结构,研究结果表明,细胞可以很好地增殖生长,并且可以形成细胞连接。如图(b)所示,Lee等利用挤出式生物打印工艺制造多层皮肤结构。类似地,如图(c)所示,Lee等开发了一种多喷头的挤出打印装置,将皮肤的成纤维细胞层和角质细胞层交替打印,制造成的皮肤结构在伤口敷料和药物测试应用中有着很好的应用前景。皮肤打印的难点是解决全层皮肤的打印及后续的存活。

血管打印

利用生物3D打印方法制造血管结构或血管流道网络一直是组织工程领域的研究热点。根据制造目标不同,可以分为2种思路:一种是仿结构,直接打印模拟血管结构特征的凝胶管;另一种是仿功能,间接构造模拟营养输送功能的流道网络。

如图(a)所示,Christensen等利用喷墨打印制造出了分叉的凝胶管结构。此外,Xiong等利用激光直写方法,Tabriz等利用挤出工艺直接打印出了凝胶管结构。                         

如图(b)所示,Zhu等利用光固化工艺打印出了三维凝胶流道网络结构。基于牺牲层工艺的挤出打印是最常用的间接构造流道网络的打印方法。                                                  

如图(c)所示,Miller等选择以糖作为牺牲层材料,首先利用挤出方式打印糖支架,然后将糖支架包埋在含有细胞的凝胶材料里,最后将糖溶掉形成流道网络。与此类似,明胶、琼脂糖、F127也常作为牺牲层材料来构建凝胶流道网络。

肿瘤模型打印

研究细胞间的相互作用以及细胞与细胞微环境的关系是研究肿瘤成因的一个方法,传统的二维肿瘤模型难以真实反映复杂的肿瘤结构,这就限制了基于体外肿瘤模型在药物筛选和致病机理方面的应用研究。随着生物打印的出现,很多肿瘤模型在体外被构建并用于药物筛选研究,包括肝癌模型、胶质瘤模型、宫颈癌模型和卵巢癌模型等。

如上图所示,Zhao等用挤出打印的方法将宫颈癌Hela细胞制造成了三维结构,研究结果表明,与二维细胞培养相比,三维状态下细胞以球形结构生长,增殖能力更强,MMP蛋白表达更高,对紫杉醇展示出更高的抗药性,这些特性更接近于体内肿瘤的真实特征。肿瘤模型打印技术为肿瘤研究以及药物筛选提供了有利的工具。

复杂组织器官打印

人体内大部分组织器官都由不同功能的细胞、不同尺度的结构组成。应用生物打印技术制造这些结构一直是研究的热点。                                                                                            

如图(a)所示,Duan等利用双喷头挤出式打印装置,将主动脉瓣间质细胞和平滑肌细胞混在海藻酸钠/明胶中打印出主动脉瓣导管结构。                                                                                

如图(b)所示,Hinton等利用宾汉流体作为软支撑,打印出了复杂的器官结构,如心脏。

如图(c)所示,Ma等利用光固化的方法打印出了含有血管网络的肝小叶结构。                                                                               

如图(d)所示,Lozano等采用同轴喷头挤出装置将神经元细胞打印成类大脑结构,研究结果表明,打印出的神经细胞可以伸展并长出突触。                                                                                                                                

类似地,如图(e)所示,神经元细胞可以通过喷墨打印的方式打印。

虽然生物3D打印取得了可喜的进展,但现有报道中所打印的器官大部分还是结构上的近似或者单一功能的实现,要实现复杂器官的打印,还需要多学科研究人员的协同努力。

 

 

YuWang 还没写个人简介...

16 Jan 2019, 4:12