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常温常压下也能打印出“大骨头”了

时间:2019-02-01  来源:新浪科技综合  阅读次数: 复制分享 我要评论

来源: 中科院之声

提到3D打印(3D-Printing),大家肯定不会陌生,这是近年来非常火热的制造方法。

“从无到有”,3D打印在各领域大放异彩

3D打印是一种“从无到有”的制造方法,依赖电脑构建的3D模型即可打印出理想中的产品形状。这诸多的优点让3D打印在各个领域都得到了快速的应用,大到火箭和汽车的零部件、房屋,小到模型玩具。

常温常压下也能打印出“大骨头”了全球首辆3D打印超级跑车(图片来自网络)

而在医疗领域,3D打印也有着广泛的应用。比如,教学使用的人体器官模型,帮助学生直观地进行学习;还有手术前施术区域的3D打印模型,能够帮助医生提前了解手术区域的细节,提高手术的成功率。

此外,3D打印在制备人体组织的替代物,即组织工程支架方面,也具有非常好的前景。每个人都是独一无二的个体,3D打印恰好能满足现在精准医疗的需求,打印个性化的替代物,从而加速组织器官的修复。

但是,这些打印的支架都是“死”的,所以科学家在思考如何直接打印“活”的组织和器官,并为此提出了新的概念“生物打印(Bioprinting)”。

如何打印“活”组织?

这可是一个不小的难题。

传统的3D打印虽然也能够制备结构可控的组织工程支架,但是体外培养条件下,细胞并不是那么“吃苦耐劳的工人”,细胞如同我们个体一样,在外界条件很好的情况下,并不会愿意朝最艰难的地方走去,即细胞难以长入支架内部。

另一方面,在打印后的支架表面种植细胞难以保证细胞在支架上分布均匀。生物打印技术就是应用了3D打印的原理,将组织工程的三要素(生物材料,种子细胞和生长因子)在空间上进行有序的排列,从而打印出3D“活”组织。

生物墨水是生物打印的原材料,它包含了组织工程的三要素并均匀混合形成了粘性水溶液。

常温常压下也能打印出“大骨头”了材料决定产品制备方式和性能

生物打印的组织或器官就如同一座高楼大厦,生物材料就是其中的一砖一瓦,种子细胞就是大厦内的工作人员,生长因子则可以看成外界给与细胞的工作指令,从而调控细胞的行为。

所以,生物墨水是生物打印的核心技术之一,直接决定了这座“大厦”能不能成功搭建,“工作人员”能不能好好工作,以及与外界能不能进行信息交流。

生物墨水,生物打印的“关键”

为了满足活体组织或器官的构建,生物墨水必须具备可打印性、易成型性、生物相容性和生物功能化这几个特性。

可打印性:生物墨水能够连续挤出或喷出直至完整的3D支架打印完成。

易成型性:要求生物墨水能够快速交联成型,从而维持支架长期的稳定性。

生物相容性和生物功能化:保证打印后的支架能够维持搭载的细胞或生长因子的活性,以及后续体外培养成特定组织的能力。

生物材料是构建生物墨水的基础,直接影响生物墨水的各种性能。目前最为常用的生物材料有海藻酸盐(ALG)、甲基丙烯酸化明胶(GelMA)等。但这材料都存在一定的局限性。

常温常压下也能打印出“大骨头”了海藻酸盐/聚赖氨酸生物墨水打印示意图

近期,中科院深圳先进院等设计了一种新型的生物墨水,可以在常态环境下构建大尺寸自支撑的功能化3D支架。

该团队首次提出海藻酸盐/聚赖氨酸基新型聚电解质生物墨水,富含氨基的聚赖氨酸与海藻酸盐上的羧基具有电荷作用,可以在常态下实现大尺寸自支撑结构支架的打印。

常温常压下也能打印出“大骨头”了 3D打印大尺寸骨模型

为了维持支架的长期稳定性,他们进一步对支架氨基和羧基进行反应,实现支架的降解速率可控,同时还实现了支架表面电荷的可调控性。而基于可调控的支架表面电荷,这些支架不仅促进了细胞的黏附,还能够实现多种活性因子的吸附和缓释,体外细胞实验证实了负载的细胞外基质或生长。

这种新型的生物墨水,在打印大尺寸3D支架和功能化支架方面具有特别的优势,而且墨水稳定性很高,能够大批量生产各种功能化组织工程支架。

目前,该团队已经利用该生物墨水打印出了一些骨-软骨一体化修复支架和血管支架,准备开展试验,希望最终实现缺损组织完美修复。未来,这种生物墨水将会在构建多细胞和梯度功能组织工程支架方面有更广泛的应用。

上述相关研究发表在国际期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials),文章第一作者为林子锋研究助理,通讯作者为阮长顺副研究员、潘浩波研究员和陈大福教授。该生物墨水也已申请专利保护。

阮长顺课题组长期开展3D生物打印与生物医用材料相关研究,近年来在3D生物打印领域发表一系列文章,包括实现骨诱导型功能生物墨水(Advanced Science,2018)、高强度水凝胶墨水构建骨/软骨一体化修复支架(Advanced Functional Materials,2018; ACS Biomaterials Science Engineering,2017)等。

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