2017年11月20日
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什么是生物打印(上)

3D打印技术正在不断提高我们直接数字化制造(Direct digital manufacturing, DDM)各种塑料和金属物品的能力。尽管这一发展本身可能会在未来触发一场制造业革命,但近年来生物打印机的发展却更令人震惊。生物打印机通过打印一层一层的活细胞并将之逐层叠加来人工制造活体组织。虽然现在所有的生物打印机都处于实验阶段,但在将来,它们可能会给医疗实践带去革命性的变化,成为新型产业融合的一部分。

尽管不同的生物打印机可能在生产配置上不尽相同,但所有生物打印机都通过一个可以左右、前后、上下移动的生物打印头(bioprint head)来打印细胞,这么做是为了能够精确地把这些细胞放在它们所需的地方。通过这种方式,数小时后,一个由大量超薄层构成的有机物就被打印出来了。

除了打印细胞,大部分的生物打印机还会打印可溶解的凝胶来支撑和保护打印中的细胞。未来的生物打印机可能会设计成下图这样。

bioprinter 800x600 600x450 什么是生物打印(上) 生物打印 中村诚 Organovo
生物打印的先驱者

已经有一些试验性的生物打印机面世。例如,2002年中村诚教授意识到一台标准喷墨打印机的墨滴和人类细胞的大小差不多,所以他决定改进技术,在2008年造出一台能够工作的生物打印机,可以打印与血管类似的生物管(biotubing)。后来,中村教授希望能够打印所有可用于人体器官移植的替换器官。

Organovo 是另一个生物打印领域的先驱。这家公司由密苏里大学的 Gabor Forgacs 教授带领的一个研究小组创立。2008年3月,他们成功用从鸡身上提取的细胞打印出有生物机能的血管和心脏组织。这项成果依靠的是一台配有三个打印头的标准生物打印机,其中两个打印头用来打印心脏和内皮细胞,另一个打印头配有胶原质支架(collagen scaffold)——现称为“生物纸(bio-paper)”——来支撑打印中的细胞。

从2008年开始,Organovo 与一家叫做 Invetech 的公司一起合作研制商用生物打印机 NovoGen MMX。这台打印机装满了生物墨球状体(bioink spheroids),每一个球状体内聚集了成千上万的细胞。打印时,NovoGen 首先铺一层由胶原蛋白、明胶或其他凝胶制成的水性生物纸,随后把生物墨球状体注入这层水性物质中,接着,如下图所示,把更多层的生物纸叠加起来建起最终实体。最后,自然力量会让生物墨球状体缓慢融合在一起,十分神奇。与此同时,生物纸自动分解消失,或者人为把它移除,留下生物打印的最终成果:人体器官或组织。

bioprinting stages 什么是生物打印(上) 生物打印 中村诚 Organovo

正如 Organovo 所演示的那样,在生物墨水打印过程中无需用生物打印机打印出器官的所有细节,因为相关细胞只要被放置在大致正确的位置上,自然的力量就会发挥作用从而促成器官的形成。实际上,生物墨球状体中的细胞有能力在打印后重新自我调整,这一事实也有力地说明了以上这一点。举个例子,我们可以用由内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞混合组成的生物墨球状体打印实验性的血管,一旦生物打印头把这些球状体放在适当的位置,无需技术干预,内皮细胞就会移动到血管内部,平滑肌细胞移动到血管中间,而成纤维细胞则移动到血管外部。

作为更加复杂的生物打印材料,错综的毛细血管和其他内部结构也会在打印后自然形成。这个过程可能听起来无比神奇,然而,据 Forgacs 教授解释,它与胚胎中的细胞知道如何形成复杂器官的过程并没有什么区别。千百万年来,大自然这项神奇的能力一直在不停发展和进化。只要把适当的细胞类型放在正确的位置,它们似乎就知道接下来该怎么做。

2010年10月,Organovo 用从单个人体身上培养的细胞生物打印出首批血管。这家公司还成功将生物打印的神经移植物(nerve grafts)植入到老鼠身上,还期望在 2015 年前展开生物打印组织的人体试验。然而,该公司预计这些生物打印机的首次商业应用,将会用于制造简单的人体组织,用于毒理学检测。

一旦完成人体试验,Organovo 还希望将来可以用公司的生物打印机制造用于心脏搭桥手术的血管移植物(blood vessel grafts)。随后,公司可能希望开发更为广泛的组织即需即用(tissue-on-demand)和器官即需即用(organs-on-demand)技术。为了达到这个目标,研究者们正在努力研制某种微型机械装置,用来人为锻炼和强化生物打印的肌肉组织,之后再将这些组织移植到病人体内。

Organovo 预计公司的首个人造器官将会是肾,因为从功能上来说,肾是人体最直接的器官之一。事实上,第一个生物打印的肾甚至都不用与人体自带的肾长得一样或者完全复制人体肾脏的所有特点,它只要能够清理血液中的废物就可以了。

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