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3D生物打印技术未来5大应用方向

日期: 2016-08-26
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 3D打印_副本.png

【图注】 打印生物细胞。图片来源: Ozbolat Lab at Penn State

 

3D打印已经让生产定制假肢变得更容易了。而生物工程师希望,在未来能够制造出真正的细胞材料。这种技术可能成为个性化的生物医学设备的基础,比如用组织工程学制造的皮肤、软骨、骨头,甚至具有生理功能的膀胱。

在《生物技术趋势》(Trends in Biotechnology )的生物制造特刊中,研究人员回顾了3D生物打印的进展,并展望了未来几年到几十年内3D打印可能的五大应用方向。

 

1. 量身定制的芯片器官

 “芯片器官”是一种用3D微工程技术制造的系统,它模拟人体组织的结构和功能。在开发廉价且高效的个性化药物的竞赛中,芯片器官具有很强的竞争力。研究人员已经成功地在芯片上用人体干细胞培养出了肺、肠道和胰腺组织,这让他们能够研究不同病人的细胞生理差别,还可以用它们来筛选药物。

该技术的快速扩张还面临着一些制造方面的难题。但是3D打印技术能够减少建造和组织培养所需的人力以及成本,并满足芯片的需求。

康涅狄格大学助理教授 Savas Tasoglu 表示,“在向单个步骤制造芯片器官发展的方向上,3D打印在微流体制造与三维生物组织打印中的交叉运用显示出了巨大的潜力,而且在研究过程中灵活性更大、产量更高。”他本人主要研究3D打印在微流体和芯片器官方面的新应用。

 “在未来的研究中,将有更多先进的3D生物打印机出现,它们能够打印一系列的半流体材料。这些3D生物打印机可同时打印和制造器官内部的微流体平台以及样式复杂的组织。这种封闭的集成系统能够极大地简化芯片器官模型的制造,让芯片器官设计的研发周期变得更短。”

 

2. 制造皮肤 

用嵌在胶原凝胶里的细胞打印出来的皮肤在10天的培养后,就能产生细胞间连接以及正常的细胞生物标记。在另一项研究中,研究人员能够在这层细胞中培养出血管。皮肤的生物打印已经愈来愈接近现实,但是研究人员才刚刚开始考虑怎样用这类人造皮肤治疗病人,尤其是那些烧伤或是有慢性创口的病人。

新加坡南洋理工大学以及新加坡科技研究局的 Wei Long Ng 以及合作者表示,“利用复杂的机器控制来进行组织工程制造已经成为了现实。”

 “虽然用生物打印技术制造出具有完整功能的人造皮肤,这一终极目标尚未达到,但是生物打印已经在一些关键的皮肤组织工程学方面显示出了潜力,包括构建色素和皮肤老化模型、制造血管网络和毛囊。”

 

3. 面部重建

虽然研究者已经能在实验室中打印出骨头、软骨、皮肤、肌肉、血管和神经,但是打印更为复杂的、能够植入病人体内的结构,仍是他们正在努力追求的目标。比如,能够为癌症或是受到面部损伤的病人带来福音的颅面重建就是一个重要的方向,研究者已经投入了大量精力来研究这类细胞。在不久的将来,3D打印的支架就能够被用来改善患者下颌以及其他面部区域的局部缺陷。

阿姆斯特丹大学医学中心外科医师 Dafydd Visscher 和同事表示:“还需要进行长期的(预)临床研究,以及智能聚合物和最终成品质量过关的生物打印技术,总之还有很长的路要走,。”

 “未来修复颅面外部组织的一个有效方法是,用一种手持生物打印仪器将细胞打印到皮肤和软骨一类的组织上,”他说,“但是目前来看,专注于生物打印技术的优化,让其增强颅面组织的自我修复能力才是医用生物打印合理的第一步。”

 

4. 多器官药物筛选

3D生物打印证明,精准的模型能够改善我们评估新药的方式。比如用多种类型的细胞制造的类器官organoids),以及经过基因改造的血管制造的肿瘤模型都属于精准模型。这些方法能够实时快速监控药物在多个器官内的反应。当然,这需要进行多轮研发周期(如增加血管、把器官模型连接起来)才能实现。

宾夕法尼亚州立大学的Ibrahim Ozbolat 和 Weijie Peng,以及杰克逊基因组医学实验室(The Jackson Laboratory of Genomics Medicine)的Derya Unutmaz 表示,“随着新型生物打印技术的发展,制造有生理活性的组织模型将会成为下个十年医药研发的关键工具。”

 “将生物打印的器官或人体芯片模型以及微阵列技术和其他3D生物制造技术和支持性的技术集成起来,能够显著减少新疗法在临床前试验的损耗率,并能显著缩短药物研发的进度。”

 

5. 插入式血管

在生物工程制造的组织中构建3D血管,对于组织移植后的存活,以及对于人体解剖结构的精确复制来说是必要的。这方面研究一直以来依靠的是2D细胞层的叠加,或是3D网络的生物打印,因为这些方法在空间上能够施加更多的控制。但是这其中的一项难点在于,制造出能够直接和病人的静脉或动脉相连的血管网。

 “血管生成目前被视为组织工程学的大规模临床应用的最大阻碍之一,”麻省理工学院(MIT和哈佛大学的生物工程师 Jeroen Rouwkema 和 Ali Khademhosseini 表示,“很明显,那些以组织内血管细胞主动聚集成形的为重点的方法,对血管结构初生形态的控制是最佳的。”

 

转自《环球科学》。如有侵权,敬请联系我们,我们将第一时间处理。

来源:Cell Press

翻译:徐寒易

原文链接:https://www.sciencedaily.com/releases/2016/08/160811142640.htm

 

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