3D生物打印的原理、當(dāng)前常用的打印技術(shù)及生物墨水的交聯(lián)原理和選擇
3D 生物打印，即用生物材料一層層復(fù)原出人體內(nèi)的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)不僅僅是細(xì)胞的住所，也是未來組織修復(fù)和藥物篩選的關(guān)鍵……
01
常用的 3D 生物打印技術(shù)
三維 (3D) 生物打印 (Three dimensional (3D) Bioprinting) 是利用活細(xì)胞、生物分子和生物材料 (生物墨水, 如水凝膠) 打印生物醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)的方法，通過逐層沉積生物材料以創(chuàng)建組織和器官等 3D 結(jié)構(gòu)[1][2]。
例如，傳統(tǒng)的組織工程策略首先需要將細(xì)胞接種到多孔水凝膠支架上。隨后在體內(nèi)培養(yǎng)，這些細(xì)胞發(fā)生增殖和分化，最終構(gòu)建生物替代品。
圖 1. 用于組織工程的 3D 生物打印結(jié)構(gòu)[3]。
知識鏈接：
3D 生物打印是 3D 打印的一種延伸，它以增材制造技術(shù)為基礎(chǔ)，可在 X、Y 和 Z 方向控制制造 3D 結(jié)構(gòu)。要形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以使用計算機(jī)輔助設(shè)計 (CAD) 軟件進(jìn)行設(shè)計，也可以從磁共振成像 (MRI) 或計算機(jī)斷層掃描 (CT) 等醫(yī)學(xué)圖像中進(jìn)行掃描[4]。
目前，3D 生物打印已成為一種很有前途的技術(shù)，可用于制造具有定制生物成分和機(jī)械性能的復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)。
應(yīng)用：
(1) 通過利用這種變革性技術(shù)，可以精確定位生物墨水(包括水凝膠、細(xì)胞和生長因子)，以創(chuàng)建 3D 體外培養(yǎng)環(huán)境；
(2) 也可以在體外重現(xiàn)天然組織結(jié)構(gòu)、細(xì)胞組成和脈管系統(tǒng)，以創(chuàng)建仿生組織模型；
(3) 還可用于研究疾病機(jī)制、篩選藥物和其他臨床應(yīng)用[4]。
(4) 此外，隨著誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPSC）衍生細(xì)胞的進(jìn)一步參與，可以建立健康和疾病狀態(tài)下的個性化組織模型，以定制藥物篩選和治療過程。
圖 2. 使用 3D 生物打印構(gòu)建可用于藥物測試和疾病建模的體外結(jié)構(gòu)[4]。
目前，常見的 3D 生物支架打印技術(shù)主要包括噴墨打印(Inkjet-based)、擠出打印(Extrusion-based) 和光輔助打印 (Light-assisted) 等。
每種打印方法都能打印細(xì)胞支架和直接在支架內(nèi)封裝細(xì)胞以構(gòu)建組織構(gòu)造[4]。這些平臺在打印機(jī)制、分辨率、時間和材料選擇等方面存在差異。擠出打印是最常用的技術(shù)，其次是光輔助和噴墨打印[5][6][7]。
下表總結(jié)了目前常用的幾種 3D 生物支架打印技術(shù)的區(qū)別。
表 1. 不同 3D 生物打印之間的區(qū)別[2][4-12]。
02
生物墨水
3D 生物打印借由 3D 生物打印機(jī)，制造出細(xì)胞支架，再將細(xì)胞"種入"支架中，使細(xì)胞得以生長[13]。
支架作為細(xì)胞相互作用的模板，為新發(fā)育的組織提供物理支持[14]。此外，支架還可以作為運載工具，加入必需的生長因子來控制和促進(jìn)組織生長[15]。因此，支架打印在 3D 打印中十分重要，是 3D 打印的起始階段。
用于生物打印支架的材料被稱為生物墨水，生物墨水由生物材料溶液和細(xì)胞 (存在或不存在生長因子) 組成，包括單一類型的生物材料或各種生物材料的混合物[6]。
表 2. 不同生物墨水之間的區(qū)別[16][17]。
生物墨水可以根據(jù)其來源分為天然聚合物和合成聚合物兩大類。
- 天然聚合物 (如藻酸鹽、殼聚糖、明膠、膠原蛋白) 有著與人體 ECM 的相似性及其固有的生物活性，但可能在機(jī)械性能上存在限制。
- 合成聚合物 (如聚己內(nèi)酯 PCL、聚乳酸 PLA、聚乙二醇 PEG)，雖然通常在生物學(xué)上是惰性的，但它們機(jī)械性能較強(qiáng)且具有可控的物理化學(xué)性質(zhì) (降解率、擴(kuò)散率、疏水性)[16]。
生物墨水的選擇取決于特定的應(yīng)用 (例如不同的組織、不同的打印方法)，在 3D 打印過程中選擇生物墨水主要依據(jù)以下幾點：
- 一定的機(jī)械性能 —————— 能提供支架支撐
- 精確沉積、快速凝固 ———— 提高打印分辨率
- 可降解、無毒 ——————— 減少細(xì)胞損傷
- 墨水流動性 ———————— 保持打印結(jié)構(gòu)
- 生物相容性 ———————— 支持細(xì)胞生長/發(fā)揮正常功能
- 免疫原性 ————————— 植入體內(nèi)后不引起免疫反應(yīng)
03
生物墨水的交聯(lián)原理
打印形成支架后，3D 生物打印中使用的生物墨水要通過交聯(lián)形成水凝膠，以達(dá)到保持打印結(jié)構(gòu)保真度和分辨率所需的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。此外，水凝膠的交聯(lián)可以為打印結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)胞生長提供足夠的支持。水凝膠的交聯(lián)途徑包括化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)[3]。
- 物理交聯(lián)是發(fā)生在各種聚合物鏈之間的非共價鍵相互作用，如疏水、靜電、氫鍵、立體絡(luò)合和主客相互作用，物理交聯(lián)的過程一般在溫和的生理條件下實現(xiàn)，但這種交聯(lián)是可逆的[18]。
- 化學(xué)交聯(lián)的反應(yīng)通過交聯(lián)劑或者通過自然形成的共價鍵實現(xiàn)，這些鍵的形成可以通過自由基聚合、酶促或互補(bǔ)基團(tuán)的反應(yīng)來誘導(dǎo)[19]�；瘜W(xué)交聯(lián)不可逆，但交聯(lián)劑的選擇很重要，否則可能會對細(xì)胞造成一定的損傷[20]。
表 3. 物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)原理。
在生物墨水的交聯(lián)使用中，物理交聯(lián)這類非共價鍵的交聯(lián)往往不太穩(wěn)定，不完全交聯(lián)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌從而失去形狀，因此選擇正確的交聯(lián)方式對維持模型的穩(wěn)定十分重要。
光交聯(lián)反應(yīng)是目前使用較為廣泛的交聯(lián)方式，這是因為光交聯(lián)不僅交聯(lián)速度快而且產(chǎn)熱較小[21]。同時光基生物打印可以通過光敏材料的光聚合來實現(xiàn)，生物墨水只需要與光反應(yīng)基團(tuán)相結(jié)合就可以實現(xiàn)快速光聚合 (如圖 1)[22]。目前市面上常用的光反應(yīng)基團(tuán)是甲基丙烯�；� (Mal)。
圖 3. 光交聯(lián)原理[3]。
通常，紫外光和可見光均可用作光聚合的光源 (Light source)。然而，由于紫外光可能誘發(fā)基因突變，甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡，因此在基于光的生物打印中通常使用可見光源來確保細(xì)胞活力并避免對細(xì)胞造成潛在傷害。光引發(fā)劑 (Photo-initiators，PIs) 是感光生物墨水的關(guān)鍵成分。當(dāng)受到光照射時，PI 可以被激發(fā)產(chǎn)生活性物質(zhì)，隨后引發(fā)生物材料的聚合。04
小結(jié)
在這篇文章里，我們介紹了 3D 生物打印的原理、當(dāng)前常用的生物打印技術(shù)、生物墨水的交聯(lián)原理及選擇。3D 打印的成功與否是與這些因素息息相關(guān)的，除此之外打印時間、速度、壓力以及細(xì)胞材料的選擇同樣也很重要。
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標(biāo)簽：
#3D
生物打印#生物墨水#水凝膠
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