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浙江大学贺永教授:跨尺度血管结构的生物3D打印
文章来源:未知      发布者:3D打印
 
浙江大学贺永教授

关注生物3D打印的读者,下文应该详细阅读。

 
       心血管疾病是当今世界威胁人类最严重的疾病之一,其作用机制复杂,目前基于动物实验及平面细胞实验的研究与人体环境相差甚远,如果能够在体外构建一个可以模拟体内血管环境的血管模型,在这个模型上进行化学刺激和力学刺激,将会为心血管疾病机理的探讨提供高效的工具。我们团队(注:浙江大学贺永教授团队)经过两年多的研究探索,提出了一种血管3D打印工艺,该工艺能实现宏微跨尺度血管结构的打印,宏观流道可用于各种机械力的加载,微观通道可用于营养输送以及化学物质的加载。本血管打印模型可以集成在器官芯片上,可应用于药物筛选、细胞共培养、细胞力学等领域,本研究受到国家基金重点项目、国家优秀青年基金、浙江省杰出青年基金项目资助。

       基于生物打印的方法在体外构建血管结构一直是组织工程领域的研究热点,常见的方法主要包括:直接打印管状结构和在凝胶结构中构建流道网络,虽然这些方法制造出的血管模型在一定程度上可以模拟真实血管的功能,但是它们无法同时满足化学加载和力学加载的要求,故无法用于体外模拟血管环境平台的搭建,进而难以用于血管类疾病机理的研究。

       我们提出了一种全新的血管打印方法,其特点是能实现宏微跨尺度流道的同时成形。通过课题组自行研发的血管打印机,利用同轴喷头制造出中空凝胶纤维,装载成纤维细胞和平滑肌细胞的凝胶纤维可控沉积在三维打印平台中的旋转模板上,内皮细胞种在中空凝胶纤维融合后形成的宏观通道内。课题组通过大量的工艺实验,系统解决了跨尺度血管结构的成型问题;通过流体流动实验演示了多尺度流道的用处;并通过后续的三层细胞培养实验展示了在组织工程应用中的可能性。

 

        我们很欣慰的是通过这个研究,将生物3D打印机实现了产业化,预计今年6月份将能批量提供,本生物3D打印机及生物制造套件可实现包括可打印血管等含细胞的生物组织、人工骨等陶瓷材料、载药支架等的高效制造。欢迎感兴趣的老师联系我,继续就这一领域进行深化研究。

        题外话:ACS Biomaterials延续了ACS出版社的一贯高质量要求,共4个审稿人意见都非常专业,我们的Response Letter就足足写了30页。

        编者按:医用3D打印在近几年是一个热度呈直线上升的时髦技术。3D生物打印跨过第一、第二层次,已经在医疗模型、诊疗器械、康复辅具、假肢、牙齿及人工关节等方面催生出了一个产业链雏形。然而,有关3D打印产品的审批、国家对该类产品的政策方面的决策以及产品上升过程中遇到的技术和材料、产品的价格等等瓶颈问题,如打印人体组织和器官等方面存在重重的问题。那么,如果突破这些瓶颈并掌握整个市场的方向和核心技术并具有核心的市场竞争力成为了企业长久立足的关键,也是临床医生和科研人员普遍关心的问题。本次会议将挖掘医用3D打印领域遇到的瓶颈,一一进行剖析。同时,将对最新的技术进展、上下游产业链和临床新应用进行全面对焦。

        生物谷:  贺永教授,您好!非常荣幸能邀请您参加生物谷举办的“2017(第三届)医用3D打印行业峰会“。我们知道3D打印在中国尚处于起步阶段,大到航天飞船、建筑、心脏,小到牙齿、血管,3D打印都可以搞定,国务院也鼓励应用大数据、云计算、互联网、增材制造等技术,构建医药产品,3D生物打印在医疗上应用有哪些?其核心技术是什么?

 

 
        回答:3D生物打印在生物医疗领域有着极其广泛的应用,概括来说,目前的研究有两个主要方向:其一是为各种疾病的精准治疗研究提供新的研究手段;第二个目标更为远大,打印出活性的人造器官,并应用于器官移植中。目前疾病的机理探讨主要依赖二维的细胞实验及动物实验,二维的细胞实验与人体环境相距甚远,而动物实验除了成本高、周期长、重复性不够理想外,动物的体内环境与人体也有较大的差异。由于3D生物打印可以精确的堆叠各种细胞及支架材料,形成接近实际器官组织的结构,同时其细胞也可采用人类的细胞,恰好可以弥补目前常用的两大实验方式的缺点。目前生物3D打印在肿瘤模型、药物代谢所带来的肝脏毒性评估、肠道微环境的构造、心血管疾病病例探讨等领域都开始有报道,生物3D打印技术在疾病的精准治疗中将会有非常广泛的应用,也是目前就可以很快开展的工作。第二个目标打印可供替代的器官,目前也有很多的尝试,但总体而言还有很长的路要走,人体器官的结构远比我们想象的要复杂的多,器官的生长发育机制等机理上还有很多问题有待揭开。目前媒体报道的所谓肝打印、肾打印等研究其实更多的是实验室再现了器官众多功能中的一到两个而已,在这方面我很担心媒体的过度捧杀。

        对于生物3D打印而言,目前的核心难点包括:一是精确控制多种细胞沉积到指定位置,以更好的模拟实际组织结构。由于生物墨水是一种典型的水凝胶类软材料,打印中的变形控制、打印后结构适宜强度的保持、细胞外基质结构的营造等都对这个制造过程提出了很大的挑战;二是组织打印“成型”后,如何对细胞输送营养,实现初步的体外培养; 器官内部所遍布的血管网络是维系器官活性的根本,也是打印的器官从mm级尺寸到cm级尺寸所必须的环节,打印时必须要构造出有效的营养输送通道网络。三是培养过程中,如何调控培养环境使得独立的细胞个体融合成功能性组织。目前打印的组织结构,主要还是形似,神似还有较大距离。也就是说打印后细胞间如何能彼此融合,建立起cross-talking,从而具备真实器官的功能,目前还只是走了万里长征的一小步。

       生物谷:我们了解到您之前进行的一项血管3D打印的研究,提出了一种血管3D打印工艺可应用于药物筛选、细胞共培养、细胞力学等领域。可以向大家介绍一下这项研究在心血管疾病的治疗上做出了哪些突破的进展吗?

       回答:15年的时候我们发表了一篇论文提出了一种在打印的同时在组织内部有效构造出营养流道网络的生物3D打印新方法,这项研究算是该工作的持续深化,我们聚焦到血管领域的病例探讨中。大家知道随着生活条件的提高,血管病变及功能退化是一大类非常广泛的慢性疾病。相对于很多其他疾病而言,血管的病理及药物效果研究做动物实验非常麻烦,也难以表征出实际的病变环境。我们通过两年多的探索,提出了一种复合微/宏通道的血管结构,并通过生物打印的方法制造了与真实血管组织类似的结构(打印的血管含内皮、平滑肌及成纤维细胞)。这种血管结构最大的特点是管壁自带微米尺度的通道,这个通道可用于血管的营养输送、各种生长因子、药物的刺激等,非常方便于做药物筛选、细胞共培养、细胞力学等相关的研究。在论文中我们演示了这种全新的结构作为血管病理模型、细胞共培养、动态灌注等方面的应用,由于这里面能够展开的工作非常多,我们也欢迎与更多相关的医学研究人员合作,加速推进这一工具在更多领域的应用。

 

 
        生物谷: 1990年Manz等人首次提出了微型全分析系统的概念,微流控芯片技术作为当前分析科学的重要发展前沿,在生物、化学、医药等领域都发挥着巨大的作用,成为科学家手中流动的"芯",微流控芯片3D打印这一技术在近几年有哪些发展?

        回答:微流控分析技术从提出以来,发展速度非常之快,由于原有的微流控制造工艺主要源于半导体工艺,更适合于大批量的制造。而在研发阶段的小批量快速制造就显得成本过高,随着3D打印技术的发展,越来越多的科学家开始借助3D打印的手段来实现芯片的快速制造。目前基于立体光固化及熔融沉积式的芯片打印都有较多的研究报导。我本人一直比较关注Biofluidics的制造方法及制造装备,目前这一领域使用生物打印的手段来制造器官芯片将会成为一个研究热点。我们课题组也提出了包括熔融牺牲层等多个打印工艺,并研发了相应的芯片3D打印机。个人觉得3D打印微流控芯片后续有六大值得大力发展的方向:其一、从二维面芯片过渡到三维体芯片;其二、直接打印凝胶材质的微流控芯片;其三、针对微流控需要的3D打印工艺将会开发得到更多的重视;其四、基于打印工艺直接集成传感器及制动器到微流控芯片中;其五、基于3D打印的微流控芯片模块化组装;其六、纸芯片的3D打印封装,构成便携式POC系统。更详细的分析可参考我撰写的综述论文“Developments of 3D Printing Microfluidics and Applications in Chemistry and Biology: a Review”.
 

 
        生物谷: 最新数据显示,在未来10年复合年增长率会达到17.5%,从之前的我国全球首例应用3D打印技术治疗功能泌尿疾病获成功,到阿斯顿大学研究人员正在尝试用3D纳米打印技术来复制大脑的神经网络,都是非常大的突破,您对3D打印医疗器械市场有哪些看法?觉得这项技术发展的潜力有多大?

        回答:3D打印的最大优势就是制造成本与产品数量关系不大,使得其特别适合于定制领域,而医疗行业的高度定制性是3D打印技术应用最具前景的方向。3D打印医疗器械主要可分为两大块,一类是辅助诊断、辅助治疗的3D打印辅具类。一类是创伤修复或植入体内的3D打印植入物。目前3D打印辅助手术,如打印的手术模拟器及术前规划系统已经开始在很多医院有应用案例,而3D打印的植入物也已经开始走向临床,像打印的关节等有些都拿到了相关批文。我们课题组也专门写过论文提出了Printing@Clinic的概念。随着未来几年政策的调整,医疗辅具的3D打印有可能会纳入医保,这个市场将会快速腾飞。3D打印植入物的发展要慢一些,将会优先在骨及关节、创伤修复等领域获得临床应用。考虑到医疗行业可以接受10%的性能提升所导致的数倍乃至数十倍的成本增加,我认为未来3D打印的最主要及最重要的应用都是在医疗行业,毕竟没有什么比生命及健康更重要的了。

        贺永教授近期在《ACS Biomaterials》上新发科研成果:跨尺度血管结构的生物3D打印
详情链接:http://m.medsci.cn/article/show_article.do?id=309d89383f4

        贺永,博士,博士生导师,浙江大学机械工程学院教授,国家基金委优秀青年科学基金及浙江省杰出青年基金获得者,浙江省三维打印工艺与装备重点实验室副主任。一直以来从事生物制造、生物打印方面的研究工作,主持国家自然科学基金3项,国家支撑计划子课题、国家数控重大专项子课题各一项,省部级课题多项,授权发明专利30余项,发表SCI论文30余篇,论文发表在包括Biomaterials,Biofabrication等生物制造、微制造、微流体领域的顶级期刊。提出了组织/营养流道同步打印的生物打印新工艺,主持开发了包括生物3D打印机、微流控芯片3D打印机等装备。
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