日期:2013-04-01 来源:本站 供稿: 作者:管理员 类别:摘录转发
最近3D打印很热,似乎一夜之间什么都能用3D打印了,圆珠笔、螺丝钉、高跟鞋、电路板……在人体组织领域,3D打印也是捷报频传,2月5日发表在Biofabrication上的文章表明打印人胚胎干细胞球不是问题了,2月15日发表在Plos One上的文章表明打印人工耳朵也有可能了。那么人工组织究竟是如何打印的?真的什么都能打印么?3D打印人工组织有什么新的商业模式正在探索?本文围绕上面三个问题进行展开。
基于阀的技术
打印人体组织的过程和打印圆珠笔还是很不一样的。打印圆珠笔时以液态或粉状的物质为原料,将原料化了再融融了再化,一层一层地叠加形成产品。可是生物组织不是均一的,组织由细胞和细胞外基质构成,组织中有血管和神经穿行而过,细胞的种类、密度和分布决定了某个微环境的功能。所以3D打印也得按这个逻辑来进行,先得有个支架,通常由胶原蛋白所构成,然后把培养好的细胞按一定密度一行一行、一层一层地以液滴的形式滴在支架上。这就是最早的"细胞打印机"的运行模式,它参考借鉴了喷墨打印机的原理,是由克莱姆森大学(Clemson University)的Thomas Boland及其同事于2003年提出的。此后全世界的组织工程研究者都尝试着改进这一技术,其中最重要的一项改进就是"基于阀的技术"。
有了喷墨式细胞打印机,人造组织这事看起来还是蛮简单的。但是3D打印的重任是按预先设定好的形式按一定密度将细胞放在有需要的地方,但现实常常事与愿违。因为胶原蛋白很粘稠,不用较大的压力推,它就掉不下来,但细胞又很脆弱,受不了热和压力的折磨,你用热和压力折磨它越久,最后得到的越可能是一些命悬一线的细胞,低细胞活度、细胞功能丧失和胶原蛋白液体阻塞这些问题都是喷墨式打印机的软肋。所以,研究者就在形成液滴的"喷嘴"上改造出一个阀门,通过计算机控制其开关,并在培养细胞上方施加恒定压力的氮气。氮气除了提供了压力,还提供了低温环境(5度),让粘稠的胶原蛋白呈液态而不凝固。当一层细胞铺好后,再在37度下孵育5分钟,等待凝胶的形成。这样,这些问题基本上都解决了。
肾脏能打印么
最近的一篇研究报导就是采用上述改进后的细胞打印机来完成的。2月5日,人胚胎干细胞球打印这项工作表明:基于阀的打印技术已相当温柔,像人胚胎干细胞要求那么苛刻的细胞都可以被打印,而且还保持了细胞活力和多能性。对液滴的控制也到了相当精确的程度,每一液滴不超过2 nL,或每一液滴中细胞数不超过5个。作者还吐槽了一下其他技术的缺点:激光打印精确可信赖,可是过热问题会损伤细胞;喷墨打印廉价易用,但容易堵塞剪切力还会伤害细胞;电流体力学喷射打印可连续可分裂,但液滴大小和分布不好控制;基于声音的打印避开了喷嘴也就远离了堵塞问题,可是还是会过热……
这一报导发表后没几天,2月15日,又用3D打印出了人工外耳,这一技术是为了让小耳畸形患者有一个和正常人一样的耳朵。从文中的图上看,和真正的耳朵极像,说不定将来的模型还会更漂亮,还有天然的耳洞。此耳朵的生产过程也和上文描述的过程类似,都是在支架中填充细胞。但是作为一个移植物,它还面临一些挑战。是否会引起免疫排斥?文中使用的是免疫抑制的宿主,但用到正常人身上时,一旦发生免疫排斥,人工外耳在免疫系统的攻击下迅速降解,不但远离了初衷,还给患者带来了新的困扰。当然还是有解决的办法的,从理论上讲,使用病人自身的软骨细胞或源于骨髓或脂肪的间充质干细胞可以消灭这一隐患。
值得一提的是,除了人胚胎干细胞球、人工外耳,目前能打印的东西还包括人工血管和心肌组织等(报导于2008年)。这些组织的共同特点是相对而言比较简单,构成的细胞种类也很少。但如果是一个复杂的器官,比如肾,目前的技术就难以胜任了。只能说"当你需要移植肾时,将会获得一个为你量身定作的3D打印的肾"这样的愿景离我们越来越近了,但目前尚没有成功案例。
新的商业模式
除了作为替代的器官,3D打印的人工组织还是很好的药物筛选平台,用于安全性和有效性测试。作为领先和屈指可数的3D打印商业化公司,Organovo已经马不停蹄地开始开拓它的第二个市场,将它们的3D打印产品卖给制药公司和研发外包组织。一方面动物模型确实并不总是给力,2月7日发表在PNAS上的一文题名即为:小鼠模型不能很好地模拟人类炎症疾病。另一方面,研发人员又期待有更好的模型。Organovo的副总裁Renard先生说:"我们相信市场已经意识到了,在药物开发的早期,需要更好的模型。科学家们说,如果你能够向我证明,你的模型是生理相关和可预测的,我将会采用它们。当我们将我们生产的组织展示给科学家们看,告诉他们组织的构造、排列、细胞外基质的生产过程、组织内细胞的生化代谢时,他们都非常得兴奋"。
来源:生物谷
供稿:前沿生物技术处