“嗡嗡嗡……”30厘米見(jiàn)方的操作臺(tái)上,一根3D打印針頭扎進(jìn)透明“果凍”中,針口處不斷擠出一根“紅線”,在“果凍”中沿著電腦規(guī)劃好的路線來(lái)回移動(dòng)“作畫(huà)”。當(dāng)針頭自下而上移動(dòng)到“果凍”上端時(shí),只要按下暫停鍵,再將一層新“果凍”疊加到舊“果凍”上面,針頭又開(kāi)始“畫(huà)”起來(lái)。最終,一顆高約6.5厘米的紅色心形3D模型被僅有1.27厘米長(zhǎng)的小針頭精準(zhǔn)打印出來(lái)。
近日,正在美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)交流學(xué)習(xí)的大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士生張誠(chéng)在視頻連線中,向記者展示了浸入式生物3D打印技術(shù)。
“我們用的‘紅線’,是可以模擬細(xì)胞外環(huán)境的水凝膠生物材料。它有一個(gè)很形象的名稱,叫‘生物墨水’!睆堈\(chéng)解釋,這種利用生物墨水打印生物器官或組織的浸入式打印技術(shù),是生物3D打印的重要分支。
大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授趙丹陽(yáng)告訴記者,以往浸入式生物3D打印技術(shù),只能用小針頭打印特別小的生物組織。如今,用小針頭也可以制造像心臟這樣的分米級(jí)大尺寸器官。日前,趙丹陽(yáng)團(tuán)隊(duì)與美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)雷諾分校教授金翼飛團(tuán)隊(duì)等組成的海內(nèi)外聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì),歷經(jīng)多年持續(xù)攻關(guān),提出多尺度浸入式打印(MSEP)策略,實(shí)現(xiàn)了“一策多用”和“大小通吃”。相關(guān)成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。
可支持復(fù)雜器官制造
生物3D打印技術(shù)基于增材制造原理,以活性細(xì)胞、生長(zhǎng)因子、生物材料等為主要原料制造生物組織和器官,是再生醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的重要制造手段。在過(guò)去十幾年里,生物3D打印技術(shù)一直處于快速發(fā)展階段,為醫(yī)療、生物學(xué)、材料和制造領(lǐng)域帶來(lái)巨大變革和創(chuàng)新。近年來(lái),較為成熟的生物3D打印技術(shù)應(yīng)用成果頻見(jiàn)報(bào)端,其涵蓋藥物、傷口敷料、器官芯片、藥物緩釋系統(tǒng)、假肢、人體組織器官模型以及生物機(jī)器人等多個(gè)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
“浸入式生物3D打印技術(shù)在生物3D打印中扮演重要角色,為制造復(fù)雜生物組織和器官提供了關(guān)鍵支持!弊鳛檎撐牡谝蛔髡撸瑥堈\(chéng)談起浸入式3D打印技術(shù)時(shí)如數(shù)家珍,“傳統(tǒng)的方法是利用針頭擠出生物墨水,在特定的支持浴材料中將成品打印出來(lái)。視頻中的透明‘果凍’就是支持浴材料,主要起到輔助支撐作用!
由于人體器官在身體內(nèi)部多具有懸空結(jié)構(gòu),且生物墨水本身較為脆弱,與在空氣中直接打印相比,在凝膠態(tài)的支持浴材料中打印更能保障打印結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且不易坍塌。
凝膠態(tài)是一種特殊的固態(tài)形式,果凍、豆腐是日常生活中常見(jiàn)的凝膠態(tài)物質(zhì)。水凝膠是凝膠態(tài)物質(zhì)的一種,因含水量高、與細(xì)胞外環(huán)境十分相似而被廣泛應(yīng)用于生物制造領(lǐng)域。張誠(chéng)介紹,支持浴材料通常采用具有良好屈服應(yīng)力特性的水凝膠。3D打印針頭扎入支持浴材料后,由于支持浴材料具有屈服應(yīng)力特性,在打印針頭劃過(guò)時(shí),材料會(huì)變?yōu)橐簯B(tài)。等針頭擠出生物墨水并離開(kāi)打印位置后,支持浴材料又會(huì)重新變?yōu)槟z態(tài),從而將打印墨水材料牢牢“抓住”,使打印結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定并保障打印結(jié)構(gòu)精度。
研發(fā)新材料破解瓶頸問(wèn)題
為什么浸入式生物3D打印技術(shù)很難打印分米級(jí)及以上的大器官?張誠(chéng)解釋,傳統(tǒng)的支持浴材料不能在凝膠態(tài)和液態(tài)之間隨意切換,難以在打印時(shí)向打印容器中按需添加支持浴材料。因此,打印前支持浴材料就要“一步到位”,要打印的器官有多高,所需要的支持浴材料就要有多深。隨之影響的是針頭的長(zhǎng)度:打印小器官,短針頭即可;打印大器官,就需要長(zhǎng)針頭。這就像是書(shū)法,寫簪花小楷時(shí)多用纖細(xì)秋毫之筆;寫擘窠大字時(shí)則需用斗筆等。
問(wèn)題隨之而來(lái):針頭越長(zhǎng),將生物墨水?dāng)D出來(lái)所需的力就越大。而生物墨水又極其脆弱,針頭越長(zhǎng),生物墨水中細(xì)胞被破壞的可能性就越大,一不小心就會(huì)“雞飛蛋打”。事實(shí)也是如此。記者了解到,目前這項(xiàng)技術(shù)僅能打印功能特征尺寸在數(shù)百微米到數(shù)十毫米之間的組織和器官結(jié)構(gòu)。
“如果能用小針頭打印完一層后,再在上面倒入一層支持浴材料,再打印一層,如此實(shí)現(xiàn)逐層打印就好了!闭撐墓餐ㄓ嵶髡呓鹨盹w提出了這樣的設(shè)想。而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法,關(guān)鍵在于研發(fā)出一種能夠隨心所欲進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的新型支持浴材料。
有材料學(xué)專家認(rèn)為,研發(fā)新材料的一種方式就像炒菜不斷調(diào)整油、鹽、醬、醋的比例,找出口味最好的菜譜配方一樣,需要不斷調(diào)整組成材料的種類、比例,從而找出具備優(yōu)質(zhì)性能的新材料。當(dāng)然,這種“炒菜”式研發(fā)過(guò)程是極其枯燥和漫長(zhǎng)的。
經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次調(diào)整配比和不斷重復(fù)試驗(yàn),聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)終于研發(fā)出一種刺激響應(yīng)性支持浴材料。它能夠在保持屈服應(yīng)力特性的同時(shí),隨簡(jiǎn)單的溫度變化實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。“溫度低于4攝氏度時(shí),該材料為液體;高于25攝氏度時(shí)則為凝膠態(tài)。”張誠(chéng)告訴記者,打印制造時(shí),只需將溫度降低,把這種支持浴材料傾倒進(jìn)打印容器中,隨后升溫使其變成凝膠態(tài),讓針頭開(kāi)始工作;待本層打印完成,倒入下一層低溫支持浴材料,再升溫繼續(xù)打印。如此循環(huán),再大的器官都能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打印。
有了關(guān)鍵材料保駕護(hù)航,利用浸入式3D打印技術(shù)制造器官的瓶頸問(wèn)題迎刃而解,MSEP策略應(yīng)運(yùn)而生。憑借“一策多用”的優(yōu)勢(shì),聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用小針頭不僅構(gòu)建了具有微米級(jí)特征尺寸的高精度角膜結(jié)構(gòu)、具有毫米級(jí)特征尺寸的同質(zhì)/異質(zhì)眼球和主動(dòng)脈瓣膜假體,還打印出具有分米級(jí)尺度的全尺寸人類心臟模型。該策略在構(gòu)建多尺度人體組織和器官方面的潛力被充分驗(yàn)證。
最終目標(biāo)是“形神兼?zhèn)洹?/P>
根據(jù)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)2018年發(fā)布的數(shù)據(jù),全國(guó)每年急需器官移植的大約30萬(wàn)名患者中,僅有約1.6萬(wàn)人能夠獲得器官捐獻(xiàn)。世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),全球每年只有不到10%的器官移植需求能得到滿足。
巨大的移植器官缺口讓很多人將目光轉(zhuǎn)向了動(dòng)物器官移植。盡管當(dāng)前已有臨床應(yīng)用案例,但動(dòng)物器官移植依然面臨費(fèi)用高昂、具有物種間免疫屏障、存在病毒傳播風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)倫理問(wèn)題等重大挑戰(zhàn)。而3D打印器官一旦發(fā)展成熟,上述問(wèn)題便有望得到解決。
“MSEP策略顯著提升了3D打印器官的打印效率和精度,擴(kuò)大了可打印尺度范圍,有望為人類解決移植器官嚴(yán)重短缺難題盡一份綿薄之力。未來(lái),我們將朝著兩個(gè)方向努力。短期內(nèi),我們希望進(jìn)一步提高打印速度,并實(shí)現(xiàn)載細(xì)胞打印,為后續(xù)功能化器官打印奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。長(zhǎng)期來(lái)看,我們將致力于提高打印器官的復(fù)雜性,并進(jìn)一步提升3D打印組織器官與人體天然器官在結(jié)構(gòu)和功能上的相似度。”金翼飛認(rèn)為,“形似而神更似”一直是人造器官追求的最終目標(biāo)。
事實(shí)上,生物3D打印技術(shù)發(fā)展至今,始終有幾片“烏云”籠罩其上,限制了這項(xiàng)技術(shù)造福人類的進(jìn)程。趙丹陽(yáng)說(shuō),生物材料選擇與適應(yīng)性、打印精度與分辨率、打印效率與成本、組織血管化與生長(zhǎng)、打印結(jié)構(gòu)后續(xù)的功能化誘導(dǎo)等,均是目前整個(gè)生物3D打印領(lǐng)域面臨的重要瓶頸。“我們能做的,就是瞄準(zhǔn)其中一兩個(gè)方向,盡己所能攻堅(jiān)克難、奮楫篤行!彼f(shuō)。
(責(zé)任編輯:華康)