细胞打印自由成形技术发展研究

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：复杂器官的组织有以下重要特点［47]：①三维结构；②要求有实现器官特定功能的特殊微结构；③由多种类型的细胞和细胞外基质组成；④有用于供养器官内细胞的复杂血管网。图5-32 一体化生物制造系统随着细胞打印概念的提出，人们尝试采用了多种不同技术打印细胞，如喷墨式打印、机械压挤式打印、电喷射式打印和激光诱导式打印等。

复杂器官的组织有以下重要特点（见图5-30）^［47]：①三维结构；②要求有实现器官特定功能的特殊微结构；③由多种类型的细胞和细胞外基质组成；④有用于供养器官内细胞的复杂血管网。

上述基于支架的组织工程方法能有效地自由成形具有精确三维外形和内在多微孔结构的支架，但是也有许多问题，主要是必须首先制作支架，将细胞种植至支架中，构成“细胞＋支架”的复合体，再随着细胞的生长繁殖，支架材料逐渐降解，形成具有生理功能和结构的组织或器官。这种方法的局限性在于：①支架中的微孔易堵塞；②难以将多种细胞和细胞外基质同时植入三维支架中；③难以控制三维结构中的细胞分布、浓度和精确定位（应在10μm以下），特别是细胞的渗透深度有限，无法控制支架表面下深部的细胞分布、浓度和定位；④受支架的空间结构和分辨率的限制，细胞渗透到支架内部的速度较慢；⑤难以导入微血管，因此会导致成形的组织或器官内氧气和养料的供应不足，容易引起组织或器官坏死；⑥难以控制在特定区域所需支架组分、目标细胞和生长因子的局域浓度；⑦难以控制支架材料的生物降解。

为克服基于支架的组织工程方法的上述局限性，近年来出现了无支架（scaf-fold-free approaches）构造三维多细胞体系／器官的先进技术，即细胞打印（cell printing）技术，又称为器官打印（organ printing）或生物打印（bioprinting）。在细胞打印过程中（见图5-31），将生物墨水——细胞（或细胞聚集体）与水凝胶的前驱体（为细胞提供生长和固定的环境，细胞在凝胶中可迁移、生长）同时置于打印机的喷头中，由计算机控制含细胞液滴的沉积位置，在指定的位置逐点打印，在打印完一层的基础上继续打印另一层，层层叠加形成三维多细胞／凝胶体系。与传统基于支架的组织工程技术相比，细胞打印的优势主要有：①同时构建有生物活性的三维多细胞／材料体系；②能在空间上准确沉积不同种类的细胞；③能构建细胞所需的三维微环境。

图5-30 复杂器官的组织特点

图5-31 细胞打印工艺过程

a）打印生物墨水 b）形成三维多细胞／凝胶体系 c）期望的组织工程结构

伴随细胞打印技术的发展，近年来出现了实现这种技术的设备——生物打印机。不少科学家们相信，不久就能建立由生物CAD—生物墨水—生物CAM—生物处理—组织工程器官的一体化生物制造系统（见图5-32），有朝一日甚至可以如同英国《经济学人》大胆设想的那样，或许某一天只需要轻轻按下按钮，就能让三维生物打印机制造出所需的器官，并能把这种组织和器官直接植入人体，研究人员、外科医生和病人不再需要对捐赠器官翘首以盼。

图5-32 一体化生物制造系统

随着细胞打印概念的提出，人们尝试采用了多种不同技术打印细胞，如喷墨式打印、机械压挤式打印、电喷射式打印和激光诱导式打印等。

细胞打印自由成形技术发展研究

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