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3D生物打印快逆天了!就在这五所大神级研究机构

2016/04/25 来源:奇点网
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导读
据Wohlers Associates统计,仅在2014年,3D生物打印在医疗行业的市场需求为5亿美元。在每年高达18%的复合年均增长率地推动下,预计到2022年,3D生物打印的市场规模将激增至18亿美元。

来源:奇点网


3D打印是一项让人着迷的技术。因为它可以快速高效的制造出个性化的产品。随着打印技术的成熟,3D打印逐渐被引入到医疗行业,因为每年都有很多人在苦苦等待合适的组织和器官移植。

据Wohlers Associates统计,仅在2014年,3D生物打印在医疗行业的市场需求为5亿美元。在每年高达18%的复合年均增长率地推动下,预计到2022年,3D生物打印的市场规模将激增至18亿美元。

高校和科研院所作为当今社会创新最活跃的组织机构,正在催生一场由3D生物打印引领的医疗革命。

Harvard University:开含血管组织3D打印先河

关于Harvard University,我想应该不用做太多的介绍,即使是今天要介绍的哈佛大学Wyss研究所,在业界也是大名鼎鼎。

在十余年之前,3D生物打印还没有现在这么火。那时候研究人员已经可以用3D打印机打印一些生物材料,但是他们打印的组织总是很薄(厚度大约为一角钱的三分之一),因为他们找不到在组织里面植入血管的办法。在这样的情况下,打印的组织稍微厚一点点,里面的很多细胞就会因为缺少营养物质,代谢产物无法排出,最终窒息或者毒发身亡。

哈佛大学Wyss研究所Jennifer A. Lewis实验室的研究人员率先解决了这个问题。Lewis带领的研究团队发明了一种新的3D打印方法,可以打印出布满血管,由多种细胞和细胞间质组成的组织。2014年2月,Lewis实验室的研究成果刊登在《Advanced Materials》上

要打印出包含血管的模拟人体组织,打印材料是关键。Lewis研究团队开发了三种不同的“生物墨水”:固定细胞的细胞间质“墨水”;细胞间质和特定细胞混合成的“墨水”;以及为了生成血管而特制的“墨水”,这种墨水有一种特殊的性质,在低温的条件下会自动融解。

在将三种“墨水”在特定的程序下打印完毕之后,将人工组织置于低温条件下,此时那些为血管预留的位置就会逐渐融化开来,剩下的就是布满各种管道的组织。此时,Lewis研究团队会在管道中注入血管内皮细胞,这些细胞就会附着在通道内壁,重新发育成成熟的血管。至此,一个模拟人体组织的人工组织便形成了。

Lewis研究团队的研究成果让3D打印又往前走了一大步。Lewis的终极理想是打印出可以用于人体移植的器官,但是在当时的条件下,显然还有很长的路要走。但这并不妨碍Lewis将她的研究成果用于药物的研发。

Carnegie Mellon University:想要打印心脏和大脑

Carnegie Mellon University(卡内基梅隆大学,简称CMU),坐落在宾夕法尼亚州的匹兹堡,是一所美国著名的研究型大学。

当大部分研究人员都在研究如何打印骨骼、鼻子和耳朵的时候,来自CMU的Adam W. Feinberg研究团队却不满足于此,他们还想要打印心脏和大脑。

Feinberg研究团队声称,他们已经能够利用冠状动脉的MRI影像以及胚胎心脏的3D图像,通过3D生物打印,以较高的分辨率和质量,将胶原蛋白、海藻酸盐和纤维蛋白等软材料,打印成无生物活性的动脉等。2015年10月Feinberg研究团队的3D打印研究成果刊登在《科学进展》上。

在不久的将来,Feinberg研究团队会把心脏细胞纳入这些3D打印组织结构,利用这个支架的帮助人工心脏形成具有收缩能力的肌肉。

University of California, San Diego:利用IPS细胞打印人工肝脏

University of California, San Diego(加州大学圣迭戈分校,简称为UCSD,又常译为加州大学圣地亚哥分校)是一所位于美国加州的著名公立大学。

1989年毕业于清华大学、现任职于UCSD的Shaochen Chen教授发现,获得FDA批准上市的药品的研发道路是极其曲折的,这中间一般需要12年的时间和18亿美元的资金投入。这主要是因为研究人员在研发药物时,没有合适的实验模型。

所以Chen教授就想为那些药企制造模拟人体器官,希望能大幅降低药企研发成本,加快新药面市的进程。于是,Chen教授就带领团队开始了3D打印器官的研究。

今年2月份,Chen教授利用3D生物打印设备打印肝脏的研究论文刊发在《PNAS》上(3)。在Chen教授的人工肝打印中使用了诱导多功能干细胞(iPSCs)、诱导脂肪源干细胞和脐静脉内皮细胞,将这三种细胞联合打印,便可以形成模拟的人工肝。

Wake Forest University:全球首个动物体可存活3D打印耳朵

Wake Forest University(维克森林大学)建于1834年,是美国一所极富盛名的综合性研究大学,连续18年全美大学综合排名25名左右,素有“南哈佛”的美誉。由于该校对招收国际学生相当严格,故而在中国知名度较低。

对于3D生物打印器官而言,长久以来,一直困扰研究人员的一个问题是:如何让血液在打印的器官中流动,以保证打印器官中的细胞存活。

今年2月份来自Wake Forest University的Anthony Atala团队,为解决这一世界性的难题做出了巨大的贡献。他们的研究成果刊登在《自然生物技术上》。


Atala团队创建了一种新的打印模型(ITOP生物打印机),可以打印布满小通道的骨骼、肌肉和软骨组织,这种组织在植入小白鼠和兔子体内之后,通道里便可以长出血管,给打印的器官提供养分,维持器官的功能。

最让人兴奋的是,ITOP目前可以打印出可以在小鼠身上存活的耳朵。这表明Atala团队使用的“生物墨水”和ITOP制造的微型通道给打印器官成活提供了合适环境。

在研究中,Atala团队还在小鼠体内测试了ITOP打印的肌肉和颚骨,它们均能在小鼠体内形成血管和相应的软组织。目前ITOP打印技术还没有用于人体器官的打印,但是由于ITOP具有较强的适应性,下一阶段,Atala团队将利用ITOP开展人体器官打印研究。

University of Wollongong:手持式3D打印机

University of Wollongong(UoW,伍伦贡大学,曾用名:卧龙岗大学)建于1951年,位于澳大利亚新南威尔士州伍伦贡市,澳大利亚十大研究型大学之一。

UoW的Gordon G Wallace研究团队,联合墨尔本St. Vincent‘s医院联合开发了一台引领3D打印新变革的打印机。这台打印接很特别,因为确切的来讲它实际上是一支笔,一支可以完成3D打印的笔,它的名字叫3Doodler,长相如下图。


G Wallace带领的团队研发这支笔的初衷是:外科医生用这支笔将细胞直接“画”在受伤的骨头或者软骨上,以快速便捷地完成修复手术。目前3Doodler正在St. Vincent’s医院开展临床试验。

3Doodler的工作原理跟我们平时使用的自来水笔很类似。首选需要在笔内灌装藻酸盐和干细胞混合而成的“生物墨水”,然后3Doodler会将“生物墨水”喷在骨头上,这些覆盖在骨头上的“生物墨水”在3Doodler发出的UV光照耀下发生固化,此时那些干细胞就被固定在受伤的骨头上。这些干细胞在合适的条件下会增殖,并分化成神经细胞、肌肉细胞和成骨细胞。最终形成新的组织。

从Wallace今年3月份发表在《Biofabrication》的研究结果来看,目前3Doodler打印出来的细胞存活率高达97%以上(5)。如果这种生物打印笔取得临床成功的话,将是对软骨组织修复手术的一次改革。

从上面几所研究机构的代表性研究成果不难看出,从只能打印出没有生物功能的组织,到具备部分功能的组织,再到直接可以临床应用的手持式原位打印设备。在短短的数年之间,3D打印技术已经取得了长足的进步。

干细胞技术的引入,让“生物墨水”的功能变得更加强大,研究人员因此拥有了更多的想象空间。但它同时也给研究人员带来了一些挑战,因为控制干细胞的分裂和分化是一件不容易的事情。研究人员还需要做更多的动物实验,研究这些打印的组织到底能不能在动物体内安全持久的工作。

参考资料

1.Kolesky DB, Truby RL, Gladman AS, Busbee TA, Homan KA, Lewis JA. 2014. 3D Bioprinting of Vascularized, Heterogeneous Cell-Laden Tissue Constructs. Advanced Materials 26:3124-30

2.Hinton TJ, Jallerat Q, Palchesko RN, Park JH, Grodzicki MS, et al. 2015. Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform reversible embedding of suspended hydrogels. Science Advances 1:e1500758

3.Ma X, Qu X, Zhu W, Li Y-S, Yuan S, et al. 2016. Deterministically patterned biomimetic human iPSC-derived hepatic model via rapid 3D bioprinting. Proceedings of the National Academy of Sciences 113:2206-11

4.Kang H-W, Lee SJ, Ko IK, Kengla C, Yoo JJ, Atala A. 2016. A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity. Nat Biotech 34:312-9

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

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