生物3D打印在組織器官構(gòu)造和體外組織模型開發(fā)的進(jìn)展

來(lái)源： EFL生物3D打印與生物制造

生物打印技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了復(fù)雜、功能性組織結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建，可用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)。各種方法，包括擠壓、噴射和基于光的生物打印，都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。多年來(lái)，研究人員和行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者在增強(qiáng)生物打印技術(shù)和材料方面取得了重大進(jìn)展，從而生產(chǎn)出越來(lái)越復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)。盡管取得了這些進(jìn)展，但在實(shí)現(xiàn)臨床相關(guān)的、人體尺度的組織結(jié)構(gòu)方面仍需應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，這對(duì)廣泛的臨床轉(zhuǎn)化構(gòu)成了障礙。

然而，隨著跨學(xué)科研究和合作的不斷進(jìn)行，該領(lǐng)域正在迅速發(fā)展，并為個(gè)性化醫(yī)療干預(yù)帶來(lái)了希望。生物打印技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和改進(jìn)有可能滿足復(fù)雜的醫(yī)療需求，從而實(shí)現(xiàn)功能性、可移植的組織和器官以及先進(jìn)的體外組織模型的開發(fā)。因此，來(lái)自維克森林大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Anthony Atala團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步概述了生物3D打印在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景。相關(guān)論文以“3D Bioprinting for Engineered Tissue Constructs and Patient-Specific Models: Current Progress and Prospects in Clinical Applications”為題于2024年10月18日發(fā)表在《Advanced Materials》上。

圖1 基于細(xì)胞的生物打印的3D打印方法

1.3D打印技術(shù)概述

（1）3D打印技術(shù)
3D打印主要包括擠出式、噴射式和基于光的生物打印技術(shù)。擠出式生物打印通過擠壓機(jī)械來(lái)分配材料，形成連續(xù)的材料流（圖1A）。它可以處理不同粘度的生物墨水，但可能面臨噴嘴堵塞和較高剪切應(yīng)力的問題，這需要優(yōu)化打印參數(shù)，如打印速度和材料的動(dòng)態(tài)粘度。噴射打印通過微噴嘴將低粘度材料按滴分配，適用于精確的空間定位和梯度控制（圖1B）。該方法利用熱動(dòng)力或壓電執(zhí)行器進(jìn)行精確控制，但由于低粘度材料的層疊保真度限制，需要額外的交聯(lián)時(shí)間。基于光的生物打印使用光（如紫外線）來(lái)固化光敏材料，適合制造復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)（（圖1C））。這種方法需要使用具有較低粘度的光敏材料來(lái)減少z軸層疊時(shí)的拖拽效應(yīng)，但也要注意選擇合適的光源和材料以避免對(duì)細(xì)胞造成損傷。

（2）先進(jìn)的生物打印技術(shù)
為解決傳統(tǒng)生物3D打印技術(shù)的限制，逐漸發(fā)展了的更先進(jìn)生物打印技術(shù)。嵌入式打印允許在支持浴中打印，使得可以創(chuàng)建更精細(xì)的結(jié)構(gòu)而無(wú)需犧牲層（圖1D）。利用臨時(shí)、可逆轉(zhuǎn)的支持材料（如明膠、藻酸鹽、Carbopol等），打印后通過環(huán)境變化釋放最終結(jié)構(gòu)。珠噴射打印通過無(wú)噴嘴的噴射方式，利用空氣微流體學(xué)在高通量下定位含有細(xì)胞的Matrigel珠子（圖1E）。這種方法可以重建復(fù)雜的組織，如肌肉和皮膚，并能進(jìn)行毛囊再生。另外，體積打印在保持高細(xì)胞活性的同時(shí)，可以迅速打印出大尺寸的組織構(gòu)建（圖1F）。

（3）生物墨水
隨后，作者詳細(xì)介紹了生物墨水（Bioinks）的種類、特性以及在3D生物打印中的應(yīng)用（圖2）。生物墨水主要由水性和水凝膠配方組成，其中包括自然來(lái)源的材料如膠原蛋白、明膠、藻酸鹽等，以及合成材料如聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）。這些墨水設(shè)計(jì)用于在打印過程中支持細(xì)胞生存，具有適宜的機(jī)械性能和生物相容性。作者進(jìn)一步討論了如何通過調(diào)整水凝膠的物理和化學(xué)交聯(lián)方式，改善生物墨水的打印性能。例如，增加水凝膠的濃度可以提高其粘度，從而改善打印過程中的形狀保持能力和結(jié)構(gòu)完整性。整體而言，這一部分強(qiáng)調(diào)了生物墨水在3D生物打印中的核心作用，其配方和性質(zhì)直接影響打印過程的效率和打印結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。通過不斷優(yōu)化和創(chuàng)新生物墨水的配方，可以顯著提升生物打印技術(shù)在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用潛力。

圖2 用于基于細(xì)胞的生物打印的生物墨水的生物材料類型

2.應(yīng)用：生物3D打印可移植組織結(jié)構(gòu)
生物3D打印策略旨在創(chuàng)建適合臨床應(yīng)用的組織構(gòu)造，并有可能設(shè)計(jì)各種組織類型。制造組織或器官的主要考慮因素之一是必須采用能夠準(zhǔn)確模擬目標(biāo)組織或器官結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計(jì)策略。這需要深入了解被復(fù)制的組織或器官的解剖和功能方面。生物3D打印的優(yōu)勢(shì)在于它能夠有效地實(shí)施這種設(shè)計(jì)策略，從而可以創(chuàng)建與其自然等同物非常相似的精確組織或器官模型。

設(shè)計(jì)策略涵蓋各種組織類型，包括基于形狀的組織，如骨骼、軟骨、皮膚[87]和角膜；中空結(jié)構(gòu)，如血管、尿道和氣管；有組織的組織，如骨骼肌、心肌和神經(jīng)組織；復(fù)合組織，如骨軟骨（骨-軟骨）和肌腱（肌腱）組織；以及整個(gè)器官，如腎臟、肝臟和心臟（圖3）。這些器官需要復(fù)雜的微血管和功能性內(nèi)部結(jié)構(gòu)才能有效運(yùn)作。通過結(jié)合生物材料、細(xì)胞以及生化和生物物理線索，生物3D打印提供了重建人體組織結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜性的機(jī)會(huì)。這種方法可以精確設(shè)計(jì)組織形狀、組織、結(jié)構(gòu)和整合，為再生醫(yī)學(xué)和組織工程的進(jìn)步鋪平了道路。

圖3 生物3D打印技術(shù)能夠創(chuàng)建各種形狀和大小的結(jié)構(gòu)

3.應(yīng)用：生物3D打印體外組織模型
體外組織模型旨在通過整合人體細(xì)胞和 ECM 成分來(lái)復(fù)制組織和器官的生物、結(jié)構(gòu)或生理功能。這些仿生平臺(tái)具有多種應(yīng)用，例如藥物測(cè)試、毒性評(píng)估和疾病建模，并有望徹底改變藥物發(fā)現(xiàn)過程。傳統(tǒng)制藥方法面臨著成本高、時(shí)間長(zhǎng)和臨床前動(dòng)物測(cè)試可預(yù)測(cè)性有限的挑戰(zhàn)。體外組織建模技術(shù)旨在通過提供更準(zhǔn)確、更高效的藥物開發(fā)平臺(tái)來(lái)克服這些障礙。

在傳統(tǒng)的體外組織建模中，細(xì)胞通常在2D條件下培養(yǎng)，例如在組織培養(yǎng)板中，這是一種基本方法。然而，某些細(xì)胞類型在這種條件下可能會(huì)失去其自然特性和功能。為了解決這個(gè)問題并為細(xì)胞提供更逼真的環(huán)境，人們采用了替代方法（圖4）。先進(jìn)的技術(shù)包括將細(xì)胞培養(yǎng)為聚集體（球體）或類器官，利用3D生物打印創(chuàng)建復(fù)雜的組織/器官結(jié)構(gòu)，以及集成微流體平臺(tái)以支持動(dòng)態(tài)微環(huán)境。雖然2D和3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)都具有高通量篩選能力，但它們可能無(wú)法模擬天然組織的復(fù)雜性和功能。相比之下，基于微流體的組織芯片在復(fù)制組織復(fù)雜性方面表現(xiàn)出色，但可能需要更適合高通量應(yīng)用。   

圖4 體外組織建模系統(tǒng)，包括2D細(xì)胞培養(yǎng)、3D類器官、生物打印組織構(gòu)造和微流體驅(qū)動(dòng)的組織模型

鑒于組織和器官固有的復(fù)雜性，其特點(diǎn)是細(xì)胞類型多樣、幾何排列特定，生物3D打印對(duì)于提高體外模型的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。為了獲得與天然功能和表型緊密復(fù)制的組織模型，它們必須經(jīng)歷成熟過程。這涉及動(dòng)態(tài)培養(yǎng)條件，例如灌注環(huán)境、機(jī)械和電刺激以及多種細(xì)胞類型的共培養(yǎng)。圖5說明了各種組織模型的功能分類，包括神經(jīng)生理、肌肉功能、代謝疾病、骨骼和造血、感染和多器官相互作用系統(tǒng)。當(dāng)前的研究重點(diǎn)是改進(jìn)這些模型，以更好地解決特定的組織特征和應(yīng)用。技術(shù)的進(jìn)步正在推動(dòng)生物3D打印體外組織系統(tǒng)的進(jìn)步，該系統(tǒng)針對(duì)一系列組織和器官模型進(jìn)行了量身定制。   

圖5 生物打印體外組織模型系統(tǒng)，可復(fù)制組織或器官特定的生物、生化和生物力學(xué)功能以及器官間相互作用，用于藥物發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)醫(yī)療

最后，作者總結(jié)了生物3D打印在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的當(dāng)前進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展方向提出了展望：

（1）技術(shù)進(jìn)步的總結(jié)：文中回顧了3D生物打印技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)到復(fù)雜組織構(gòu)建的轉(zhuǎn)變，特別是在提高打印精度、材料多樣性以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜度方面的進(jìn)展。同時(shí)指出，盡管取得了顯著的技術(shù)突破，但實(shí)現(xiàn)完全模擬人體組織的復(fù)雜性和功能性仍面臨挑戰(zhàn)。

（2）未來(lái)展望：文章強(qiáng)調(diào)了未來(lái)研究的重點(diǎn)將包括開發(fā)更為先進(jìn)的生物墨水，這些墨水不僅要支持細(xì)胞生長(zhǎng)，還要模擬細(xì)胞外基質(zhì)的生物化學(xué)和生物力學(xué)屬性。此外，提高生物打印組織的成熟度和功能化，以及推動(dòng)其臨床應(yīng)用將是重要的研究方向。

（3）跨學(xué)科合作的重要性：指出實(shí)現(xiàn)3D生物打印技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化需要材料科學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、工程學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的專家進(jìn)行更深入的合作。通過集成不同學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)，可以加速3D生物打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。   

文章來(lái)源：
https://doi.org/10.1002/adma.202408032