3D生物列印，用細胞當「墨水」，想點哪裡點哪裡

近年來，隨著3D列印熱潮持續高漲，3D列印技術在醫療領域的應用被認為是最有發展潛力的市場，尤其是近兩年呈現爆炸式發展的生物3D列印技術，甚至有望徹底改變臨床器官移植的情況。

長久以來，許多病人等待著可以移植的器官，而由於器官移植需求與可供移植的器官之間存在著巨大的缺口，使得很多病人最後只能在漫長而無望的等待中走向死亡。3D生物列印技術的出現，為這部分病人帶來了巨大的希望，儘管目前為止生物3D列印技術能夠列印出的產品還遠沒有發展到可以替代人源器官的程度，但是人們在這項飛速發展的技術中，看到的是巨大的希望。

早期的3D印表機只能夠利用塑料作為「墨水」列印零件。而現在，「墨水」的材料早就被大大地擴展了——金屬、陶瓷、甚至細胞都可以被注入「墨盒」進行操作。

3D生物印表機：用細胞當「墨水」

雖然聽起來有些聳人聽聞，但利用生物細胞進行列印算是3D印表機的奇妙用途之一，也是這個領域中相當有趣的一個分支。再生科學領域的科學家們一直孜孜不倦地嘗試利用這一技術創造可供移植的組織乃至器官。

3D生物印表機以生物細胞為主要列印材料。圖片來源：Wake Forest Institute for Regenerative Medicine

該3D印表機擁有多個噴嘴，一些擠出水凝膠，還有一些則擠出可生物降解材料，用來給列印出來的組織提供結構和強度支持。當輔助材料溶解和組織在機器中完成孵化時，它就有可能植入人體。研究人員先對人耳、下顎骨、肌肉進行3D掃描，從而創建數字模板，然後列印出一塊耳形的軟骨、一塊肌肉和一塊下頜骨，並把它們植入小鼠體內。

維克森林大學安東尼·阿塔拉（Anthony Atala）課題組把3D列印出的組織移植到生物體內，並且證明了這些從印表機里誕生的組織能夠像正常組織一樣存活並生長。

阿塔拉團隊用「整合組織-器官列印系統」（Integrated Tissue-Organ Printing System，ITOP）列印的下頜骨（左）和耳廓（右）。圖片來源：Wake Forest Institute for Regenerative Medicine

手持式3D印表機，想畫哪裡點哪裡

澳大利亞伍倫貢大學的團隊開發出一種3D生物列印筆，外科醫生用這支筆將細胞直接「畫」在受傷的骨頭或者軟骨上，以快速便捷地完成修復手術。目前3Doodler正在St. Vincent』s醫院開展臨床試驗。

3Doodler

3Doodler的工作原理跟我們平時使用的自來水筆很類似。首選需要在筆內灌裝藻酸鹽和幹細胞混合而成的「生物墨水」，然後3Doodler會將「生物墨水」噴在骨頭上，這些覆蓋在骨頭上的「生物墨水」在3Doodler發出的UV光照耀下發生固化，此時那些幹細胞就被固定在受傷的骨頭上。這些幹細胞在合適的條件下會增殖，並分化成神經細胞、肌肉細胞和成骨細胞。最終形成新的組織。

從Wallace2016年3月份發表在《Biofabrication》的研究結果來看，目前3Doodler列印出來的細胞存活率高達97%以上。如果這種生物列印筆取得臨床成功的話，將是對軟骨組織修復手術的一次改革。

從上面幾所研究機構的代表性研究成果不難看出，從只能列印出沒有生物功能的組織，到具備部分功能的組織，再到直接可以臨床應用的手持式原位列印設備。在短短的數年之間，3D列印技術已經取得了長足的進步。

幹細胞技術的引入，讓「生物墨水」的功能變得更加強大，研究人員因此擁有了更多的想像空間。對於再生醫學來說，能夠使用3D列印產品進行治療也是不折不扣的好消息。利用來自受體的細胞培育的組織不具有排異性，3D列印的成本也並不太高。雖然這一技術仍未開始人體試驗，但從目前的研究成果來說，這無疑是未來一段時間內最值得期待的技術之一。

參考資料

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5. Cathal DOC， Claudia Di B， Fletcher T， Cheryl A， Stephen B， et al. 2016. Development of the Biopen： a handheld device for surgical printing of adipose stem cells at a chondral wound site. Biofabrication 8：015019

6. Hyun-Wook Kang, Sang Jin Lee, In Kap Ko, Carlos Kengla, James J Yoo, Anthony Atala. A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity. Nature Biotechnology (2016) doi:10.1038/nbt.3413

來源：細胞王國

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