生物3D打印在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展

徐弢

一、生物3D打印是什么？

3D打印最基本的解釋是常規(guī)的增材制造。我們團(tuán)隊(duì)對3D打印的研究則是顛覆它原有的對象，不再使用普通材料，而是利用生長因子等活性材料進(jìn)行打印。即利用3D增材制造原理，以加工包括生物材料、生長因子和細(xì)胞等的活性材料為主要內(nèi)容，以修復(fù)和重建人體組織和器官為目的的，跨學(xué)科跨領(lǐng)域的新型再生醫(yī)學(xué)工程技術(shù)[1]。

二、生物3D打印技術(shù)的發(fā)展

以技術(shù)產(chǎn)生時間和材料生物學(xué)性能為依據(jù)，可將生物3D打印技術(shù)發(fā)展分為5個層次。第一層次：打印材料無生物相容性要求，包括醫(yī)學(xué)模型和體外醫(yī)療器械，常見案例有外科手術(shù)設(shè)計的輔助模型、牙科手術(shù)導(dǎo)板等。第二層次：打印材料有生物相容性要求，但非可降解材料。產(chǎn)品植入人體后成為永久性植入物，包括金屬和陶瓷等材料，常見案例有不降解假肢、假耳移植物等。第三層次：打印材料有生物相容性要求，而且能被降解，產(chǎn)品植入人體后可促進(jìn)組織再生，重構(gòu)組織的修復(fù)機(jī)制，常見案例有骨組織支架、皮膚組織支架等。第四層次：使用活細(xì)胞、蛋白及其他細(xì)胞外基質(zhì)作為材料，打印體外仿生三維生物結(jié)構(gòu)體，常見案例有細(xì)胞模型、類肝組織模型等。第五層次：這是最新發(fā)展出的，增加了時間維度的可打印自我組裝材料的4D打印。

從工程學(xué)角度，前3個層次在20多年前就有，叫做快速成型技術(shù)，現(xiàn)在更多發(fā)展的是在應(yīng)用層面的創(chuàng)新。第一層次的3D打印在個體化醫(yī)療模型及假肢制造，神經(jīng)外科的顱內(nèi)腫瘤、動脈瘤神經(jīng)纖維束、腦室構(gòu)建、狹顱癥等，肝膽外科的全透明、可牽拉的腎腫瘤模型等領(lǐng)域都有應(yīng)用。第二層次主要應(yīng)用于個性化永久植入物制造，如大眾熟悉的骨科模型。中國實(shí)現(xiàn)了首個金屬永久植入物髖臼杯的3D打印，而且投入了臨床使用。第三層次則主要應(yīng)用于組織工程支架的仿生設(shè)計與制造，讓材料逐步降解，給組織再生長提供空間。第四層次被稱為“Bioprinting”，原來更多地被稱為“快速成型”，現(xiàn)在把細(xì)胞加入活性打印材料，才稱之為現(xiàn)代意義上的生物3D打印。第五層次為4D打印，即在生物3D打印的基礎(chǔ)上增加了時間的維度。2016年美國麻省理工學(xué)院有團(tuán)隊(duì)率先打印了具有自組裝特殊功能的材料，例如打印出來是一條直線，隨著時間維度的發(fā)展其自我組裝功能會使其成為一個立體形狀。筆者認(rèn)為，在某種程度上，細(xì)胞及組織的打印也是一種4D打印，因?yàn)榧?xì)胞是存活的發(fā)展的，會進(jìn)一步成長為組織，組織則進(jìn)一步成長為器官。但目前在概念上，我們并不傾向于使用“4D打印”，因其發(fā)展尚不是很成熟。但不管最終定義為何，能夠解決實(shí)際問題才是最重要的，在其基礎(chǔ)上我們進(jìn)行了一些打印細(xì)胞及細(xì)胞機(jī)器人的工作。

三、細(xì)胞3D打印是什么？

早期我們使用的噴墨打印技術(shù)可以將墨水加熱氣化，那含有細(xì)胞的血液也可以通過加熱氣化高速地噴出來且效率很高，從而組建起細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)。利用噴墨打印可以打出不同顏色的原理，我們也可以打印出不同的細(xì)胞，內(nèi)皮細(xì)胞打印到管壁內(nèi)層，平滑肌細(xì)胞打印到管壁外層。早期組織工程多采用手工辦法，有了細(xì)胞打印之后我們可以用自動化的方式更精準(zhǔn)更容易地實(shí)現(xiàn)人的仿生結(jié)構(gòu)，這就是細(xì)胞打印的價值所在。

Bioprinting最初是個組合的新詞匯，但隨著細(xì)胞打印的發(fā)展，現(xiàn)在已被正式收錄到了牛津詞典中，且其定義中明確了細(xì)胞的作用。同樣，維基百科對Bioprinting的解釋中也包含有細(xì)胞的說明，可見細(xì)胞在生物3D打印中的重要性。

四、細(xì)胞3D打印的應(yīng)用

生物3D打印的研究進(jìn)展在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域也有所體現(xiàn)。筆者所在團(tuán)隊(duì)申請并獲得授權(quán)的全球第一家細(xì)胞打印專利更是實(shí)現(xiàn)了無生命材料到有生命物質(zhì)打印的飛躍。

現(xiàn)在的醫(yī)學(xué)發(fā)展逐步走向精準(zhǔn)時代，生物3D打印精度高、便攜，可更精準(zhǔn)地進(jìn)行戰(zhàn)傷創(chuàng)面的修復(fù)。筆者通過一系列對比試驗(yàn)證實(shí)，生物3D打印技術(shù)在戰(zhàn)傷創(chuàng)面修復(fù)治療中的效果是不錯的。另外，我們利用毛囊干細(xì)胞進(jìn)行打印實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)毛囊再生。

生物3D打印可用于心臟結(jié)構(gòu)模擬。通過心肌細(xì)胞和生物材料打印一些立體的組織，例如打印小動物的心臟，發(fā)現(xiàn)它可以有節(jié)奏地跳動。動物的心臟細(xì)胞能夠保持它的功能，這一結(jié)果表明打印技術(shù)對細(xì)胞沒有造成重大影響。對更大體容的腎臟進(jìn)行打印也取得了不錯的效果。

五、細(xì)胞3D打印在神經(jīng)外科的發(fā)展與應(yīng)用

在生物3D打印神經(jīng)鞘管方面，我們利用制造學(xué)的優(yōu)勢，通過生物打印技術(shù)打印微孔多通道結(jié)構(gòu)的神經(jīng)導(dǎo)管并在早期進(jìn)行神經(jīng)生長因子灌注。植入3個月后發(fā)現(xiàn)，與未灌注神經(jīng)生長因子的神經(jīng)導(dǎo)管相比，灌注有神經(jīng)生長因子的神經(jīng)導(dǎo)管具有更好的促進(jìn)組織再生的能力。

在干細(xì)胞治療方面，生物3D打印技術(shù)可提升腦癱細(xì)胞的治療水平。現(xiàn)有干細(xì)胞移植治療以直接注射為主，存在以下兩種可能的局限。首先是注射后的干細(xì)胞因運(yùn)動代謝等原因，導(dǎo)致有效干細(xì)胞不足。其次是干細(xì)胞在病變區(qū)域的微環(huán)境不理想。單純的細(xì)胞研究是重要的，但更重要的是細(xì)胞與機(jī)制的結(jié)合，如果微環(huán)境不好，細(xì)胞的生存狀況也就不理想。為解決這一問題，我們設(shè)計以格柵形狀或微球形狀進(jìn)行打印，格柵形狀可適用于大塊體積纖維的修復(fù)，微球形狀則可以保持細(xì)胞的集中注射。另外，我們在格柵里面灌注一些神經(jīng)生長因子和造血因子，改善其微環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，通過微球培養(yǎng)的細(xì)胞在十余天后，細(xì)胞在固定位置生長且狀況良好。正常二維培養(yǎng)的細(xì)胞持續(xù)生長一段時間后會啟動凋亡機(jī)制，進(jìn)而細(xì)胞數(shù)量減少，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在3D環(huán)境下培養(yǎng)的細(xì)胞并未出現(xiàn)凋亡，而是呈持續(xù)生長的狀態(tài)。另外對臍帶內(nèi)皮細(xì)胞的培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，3D環(huán)境下培養(yǎng)的細(xì)胞不僅數(shù)量增加，其分化細(xì)胞的性能上也有所改善。

雖然干細(xì)胞的培養(yǎng)可通過添加神經(jīng)因子得到改善，但畢竟因子緩釋還是十分困難的。如何使得生物3D打印的成果更加仿生呢？我們采用了同軸打?。{米膜制造神經(jīng)纖維束的方法。我們把神經(jīng)干細(xì)胞做成像線一樣的細(xì)胞線，線的中心是神經(jīng)干細(xì)胞，周圍環(huán)包著的則是神經(jīng)的支撐細(xì)胞，這些細(xì)胞不斷地產(chǎn)生著營養(yǎng)因子。同軸打印的方式，即在中心打印神經(jīng)干細(xì)胞，在周邊打印支撐細(xì)胞，最終以條索狀的形式打印出來，然后將條索包裹起來。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種狀態(tài)下纖維束細(xì)胞的存活率是相當(dāng)高的，而且也在一定程度上釋放出了神經(jīng)生長因子。

以上主要是生物3D打印在再生領(lǐng)域的應(yīng)用，其實(shí)生物3D打印在腫瘤模型研究方面也具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。在膠質(zhì)瘤模型打印方面，通過格柵形狀的打印可以定量化地制作材料支架和細(xì)胞，其優(yōu)勢在于具有很強(qiáng)的通透性，營養(yǎng)物質(zhì)可以非常容易地穿透進(jìn)去。實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次表明2D平板和3D環(huán)境培養(yǎng)下的細(xì)胞生長曲線是不一樣的，2D環(huán)境下的細(xì)胞在第9天開始抑制凋亡，3D環(huán)境下的細(xì)胞則連續(xù)不斷地在生長，說明3D培養(yǎng)的微環(huán)境是很適合它生長的。而且在細(xì)胞干性、基因水平和對藥物的反應(yīng)等方面，2D環(huán)境和3D環(huán)境下培養(yǎng)的細(xì)胞區(qū)別也十分明顯。針對細(xì)胞活性我們進(jìn)行干細(xì)胞層流性實(shí)驗(yàn)，將2種環(huán)境下生長的細(xì)胞收集起來進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)3D環(huán)境培養(yǎng)的細(xì)胞全面優(yōu)于2D環(huán)境。另外，我們還對生物3D打印垂體瘤模型進(jìn)行了研究，結(jié)果表明生物3D打印環(huán)境下的培養(yǎng)結(jié)果是優(yōu)于2D環(huán)境的。

六、總結(jié)

工程技術(shù)如果不能被轉(zhuǎn)化，那它就會失去生命力。我們團(tuán)隊(duì)將生物3D打印技術(shù)進(jìn)行了很多轉(zhuǎn)化，如醫(yī)學(xué)模型的轉(zhuǎn)化，建立神經(jīng)多模態(tài)模型供醫(yī)學(xué)工作者進(jìn)行訓(xùn)練，包括全腦模型、首個神經(jīng)內(nèi)鏡模型、經(jīng)鼻碟入路模型[2-4]。目前已有2種模型投入臨床，另外通過生物3D打印技術(shù)生產(chǎn)的適用于神經(jīng)外科的產(chǎn)品也已經(jīng)進(jìn)入市場，都取得了良好的效果。未來生物3D打印技術(shù)發(fā)展的機(jī)會越來越多，只有更多地與醫(yī)療、臨床和基礎(chǔ)科學(xué)的結(jié)合，才能形成多贏的局面[5]。

[1] 李楓.讓生物3D打印邁向普羅大眾[J].中國工業(yè)評論,2015,(12):106-111.

[2] 林繼業(yè),文平,柯以銓,等.3D打印技術(shù)在顱底外科手術(shù)規(guī)劃中的應(yīng)用[J].中華神經(jīng)醫(yī)學(xué)雜志,2016,15(12):1240-1245.

[3] 蘭青,陳愛林,張?zhí)?等.通過3D打印技術(shù)制備顱腦實(shí)體模型[J].中華醫(yī)學(xué)雜志,2016,96(30):2434-2437.

[4] 尹一恒,余新光,佟懷宇,等.3D打印技術(shù)在顱底凹陷合并寰樞椎脫位手術(shù)中的應(yīng)用[J].中華醫(yī)學(xué)雜志,2015,95(37):3004-3007.

[5] 徐弢.生物3D打印的產(chǎn)業(yè)化機(jī)遇[J].中國工業(yè)評論,2015,(5):46-53.