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3D生物打印技术在医学中的应用
发布时间:2021-02-04     作者:zzj   分享到:

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。

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”。


运用这种技术,生物墨水的选择尤为重要,那么如何选择合适的生物墨水呢?


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。


3D生物打印技术,已经越发成熟,主要应用于医学领域:

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)。

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2.卵巢

国外已经有研究机构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)

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)。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。


虽然3D打印技术已经发展了一段时间了,但是还是面临这一些挑战,比如(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。


在未来相当长的一段时间里,3D打印技术一定是一个有潜力的发展方向,以后会更多的运用到医学及更多领域。


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