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生物打印引领未来再生医学

来源:人民日报 作者:张宇 2017-04-14 10:29:35
  3D打印除了打印模型、房子和各种小物件外,其打印出来的鼻子、软骨等活体器官更受关注。最近,中国科学家发明出将黄金作为生物打印墨水的新技术,极大提升了打印心肌组织的功能。

  据这项新技术的主要研究者、复旦大学中山医院的朱铠介绍,所谓“黄金”并不是日常所见的黄金,而是将导电的金属金纳米颗粒掺入本身导电性较差的传统生物墨水中。这样一来,新材料能有效提高墨水的生物导电性,使得包埋于其中的心肌细胞之间的电信号传导更快,也更稳定,从而实现整片心肌组织自发且同步搏动。

  早在2003年,科学家便将喷墨打印机墨盒里的墨汁换成装有细胞的水凝胶,首次实现了活细胞图案的打印。这些带有细胞的墨水被形象地称为“生物墨水”。通过调节打印图案和坐标定位,便可以打印出带有活细胞的特定三维结构。随后10多年间,生物打印技术取得了长足发展,从打印方式到打印材料,都有了巨大改进。

  传统再生医学中,要实现对复杂组织和器官三维结构的复制非常难,而生物打印几乎可以完全复制生物组织的微观与宏观结构,达到功能的再生。通过合理调节生物打印的参数,例如打印形式、生物墨水、细胞选择,科学家能制备不同的人造组织和器官,包括肝脏、血管甚至心脏。

  由于心脏有特殊的传导系统,该系统发生冲动并传导至心脏各部位,进而再通过心肌细胞之间的电信号传导,实现心房肌和心室肌的节律性收缩,从而实现全身的血液循环。因此,如何增加心肌细胞之间的电信号传导,一直是使用包括生物打印技术在内的人工心肌组织制备的难题。

  由于生物打印能制备任意形状的人造组织和器官,通过对人体组织损伤部位的有效成像及建模,损伤部位特定的形貌可以被重建,并能与伤口处实现无缝对接,显著提高了再生和修复效果。特别是在修复创伤皮肤领域,生物打印已有应用实例。据报道,将红外成像技术和生物打印喷头结合,在扫描过程中进行伤口深度的测量和实时打印,可以达到对皮肤创伤的均一修复。

  目前,生物打印进入临床使用尚有一些关键问题亟待解决。例如,打印中所产生的各种温度变化、剪切力等因素,均会导致细胞存活率降低,如何改进打印设备使其更加精细化,降低打印过程中的各种不良刺激,提高打印组织的存活率和使用率,是仍需攻克的问题。生物墨水中的各种添加材料,如金纳米颗粒,也需要进一步进行表面修饰,才能在提高生物相容性的同时不影响细胞活性。

  10年前,生物打印对人们而言可能还是一个神话,如今已经发展成一项平常的治疗手段。相信在不久的将来,生物打印必将实现对于人体组织和器官在结构、功能和形貌上更好的模拟,将再生医学推上一个新高峰。
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