3D打印生物墨水在组织修复与再生医学中的应用

背景:通过选用合适的生物墨水,3D打印技术可用以制造人体组织和器官的代替物,并在人体内发挥作用。近些年来3D打印技术发展迅速,在再生医学中有着巨大的应用潜力。目的:介绍3D打印用生物墨水的类型,并综述生物墨水的分类、应用、优缺点及未来愿景。方法:以“3D printing,Biological ink,Tissue engineering,hydrogel,Synthetic material,Cytoactive factor,3D打印、生物墨水、组织工程”为检索词,运用计算机检索2000-2022年以来发表在PubMed、CNKI数据库中的相关文献,最终纳入83篇进行综述。结果与结论:在过去的几十年里,生物3D打印技术发展迅速,在组织工程和生物医学等各个领域都受到了极大的关注。相对于传统生物支架制造方法在功能性及结构方面受到的限制,3D打印可以更好地模拟生物组织复杂的结构,并且具有合适的力学、流变学和生物学特性。生物墨水是3D打印中必不可少的一部分,通过生物材料制备的生物墨水,经打印后产生的生物支架在组织修复和再生医学等方面有着巨大的科研潜力及临床意义,其材料的研究本身也越来越受到专家们的重视。3D打印生物墨水的材料各种各样,有天然材料也有合成材料,还有一些不需要任何额外生物材料的细胞聚集体,并且各种材料在实际运用中的功效各不相同。未来会有越来越多的生物墨水被研制用于组织工程,需要通过充足的实验模拟及设备测试来对生物墨水的可打印性进行分析,从而满足实际的医用需求。

液浮粉末床激光增材制造过程温度研究

在激光粉末床增材制造技术中,由于激光的高功率密度和粉末床的低导热性,生产的成形件内存在由快速交变的温度梯度导致的残余应力。使用液浮技术,即用熔融的金属锡代替下层粉末,可实现降低成形件应力和细化晶粒的效果。在考虑温度相关物性参数,对熔池进行简化的条件下,对有液浮情况建立瞬态介观模型,与粉末床情况下进行对比。结果表明:液浮情况下降低温度梯度,可使冷却速度加快约10%。在液浮成形件组织中发现平均尺寸5μm的晶粒,明显小于传统LPBF技术获得组织,验证了冷却速度计算结果。

基于生物三维打印的体外药筛模型构建

以生物三维打印技术为基础,构建了一种体外三维模型药物筛选模型,并采用双向温控喷头挤出式的打印方式完成模型打印,将构成血脑屏障的两种细胞与天然水凝胶混合后层层打印,从而得到体外药筛模型。通过检测模型的弹性模量、微观结构及细胞特异性蛋白的表达,在功能上与空白对照组及二维细胞组进行对比。结果表明,相较于空白组及二维细胞培养组,打印完成的体外药筛模型弹性模量稳定,内部形成适合细胞生长的多孔结构,证明具有较好的生物相容性与结构稳定性,对于胰岛素分子的筛选中有着显著优势。

组织工程血管脉动生物反应器的研制

心脑血管疾病是当今威胁人类生命与健康的最主要疾病之一,对人工血管有着较大需求。其中组织工程血管被认为是制备人工血管的理想方法,而生物反应器在组织工程血管的构建中有着关键作用。针对上述问题,设计了一种用于血管组织工程研究用的新型结构脉动生物反应器。该反应器采用了音圈电机作为脉动发生装置,模拟成人的心室功能,可产生与人体自然压差相近的脉动液流,较好地模拟了体内真实的血液流动环境。此外采用弹性可降解的聚氨酯材料以及涂覆工艺设计并制备了小口径的组织工程血管,并将该反应器用于小口径组织工程血管的体外模拟降解的研究中,以验证生物反应器的有效性。

组织工程材料在鼓膜修补中的应用进展

鼓膜修补材料是耳科医师治疗鼓膜穿孔的重要材料。随着组织工程技术的发展,人工鼓膜修补材料受到越来越多研究者的关注。这些材料主要集中在3个方面,包括支架、生长因子和干细胞。由于支架能够在鼓膜穿孔处为细胞的迁移、附着及增殖提供支撑结构,出现了许多新颖的支架材料,如贴片、静电纺丝支架。相反,生长因子或干细胞近年仅作为辅助材料联合支架一同用于鼓膜修补。这些材料的出现使得组织工程鼓膜修补材料在治疗鼓膜穿孔上具有巨大潜力,未来可能代替自体组织用于鼓膜穿孔的修补。

载骨髓间充质干细胞的高孔聚己内酯-胶原纳米纤维膜修复大鼠长期鼓膜穿孔

背景:近年来出现许多新颖的鼓膜修补材料,包括贴片、3D打印支架等,然而经过这些材料修补后的鼓膜在厚度和内部结构上不同于天然鼓膜。目的:探究载骨髓间充质干细胞的高孔聚己内酯-胶原纳米纤维膜修补大鼠长期鼓膜穿孔的效果。方法:利用静电纺丝技术分别制备聚己内酯、聚己内酯-胶原与高孔聚己内酯-胶原纳米纤维膜,表征支架的表面形态、孔隙率及细胞相容性。取50只雄性SD大鼠,使用无菌23号针头刺破双耳鼓膜后下部联合丝裂霉素C、氢化可的松用药法建立鼓膜穿孔模型;造模12周后,采用随机数字表法将大鼠分为5组:空白对照组不进行任何治疗,其他4组鼓膜穿孔处分别植入聚己内酯纳米纤维膜(聚己内酯组)、聚己内酯-胶原纳米纤维膜(聚己内酯-胶原组)、高孔聚己内酯-胶原纳米纤维膜(高孔聚己内酯-胶原组)与载骨髓间充质干细胞的高孔聚己内酯-胶原纳米纤维膜(载细胞高孔聚己内酯-胶原组),每组10只,支架植入1,2,3,4周利用耳内镜检查鼓膜愈合情况,植入4周后进行鼓膜组织苏木精-伊红、Masson染色与Ki-67免疫组化染色观察。结果与结论:①支架表征:扫描电镜显示相较于其他纳米纤维膜,高孔聚己内酯-胶原纳米纤维膜具有排列更加整齐的纳米纤维结构与更大的表面孔径,并且孔隙率更高(P<0.001);细胞活死染色显示,骨髓间充质干细胞在3种支架上附着良好,其中高孔聚己内酯-胶原纳米纤维膜上的活细胞数量多于其他两种支架;阿尔马兰染色显示,高孔聚己内酯-胶原纳米纤维膜上的骨髓间充质干细胞增殖率高于其他两种纤维膜;②动物实验:除空白对照组外,随着纤维膜植入时间的延长,其他4组大鼠鼓膜逐渐愈合,其中载细胞高孔聚己内酯-胶原组愈合速度最快;苏木精-伊红、Masson与Ki-67免疫组化染色显示,载细胞高孔聚己内酯-胶原组大鼠鼓膜厚度适中且具有3层结构,其中胶原纤维层均匀一致,与正常鼓膜相似,鼓膜修复质量好于其他纤维膜组;③结果表明:载骨髓间充质干细胞的高孔聚己内酯-胶原纳米纤维膜不仅能够快速修补鼓膜穿孔,而且新愈合鼓膜在组织结构和厚度上类似于正常鼓膜。

一种肿瘤血管阻断装置的设计和制造

肝动脉化疗栓塞术是针对不能进行手术的原发性肝癌患者的有效治疗方法,目前在全球范围内已经被广泛运用。肝动脉化疗栓塞的一个重要作用是对肿瘤血管的血流进行阻断。为实现血流的可控阻断,设计了一种基于形状记忆合金的肿瘤血管阻断器,通过对形状记忆合金的定型热处理、焊接以及3D打印等加工方式,制造了阻断器,并通过简单的力学测量和仿真验证了该阻断器的力学可靠性。

仿生聚乳酸/明胶纳米纤维膜修复下肢静脉曲张溃疡

背景:受限于有效治疗手段的缺乏,下肢静脉溃疡迁延不愈,容易反复,对患者的生活产生严重影响;动物实验已证实仿生聚乳酸/明胶纳米纤维膜在皮肤缺损组织再生修复中具有明显优势。目的:观察仿生聚乳酸/明胶纳米纤维膜修复下肢静脉曲张溃疡的效果。方法:纳入2017年11月至2018年11月安徽医科大学第一附属医院收治的下肢静脉溃疡患者60例,采用随机数字表法分为对照组和试验组,每组30例,所有患者前期均给予清创和基础治疗,对照组给予常规换药,试验组是在常规处理的基础上采用仿生聚乳酸/明胶纳米纤维膜换药。每周记录并比较两组的创面愈合率、愈合时间、换药次数、创面疼痛评分、敷料二次创伤积分、操作难易性、安全性和患者满意度;溃疡创面愈合后6个月,采用温哥华瘢痕评定量表对后期修复效果进行评价。试验已通过安徽医科大学第一附属医院伦理委员会批准,伦理批准号:安医一附伦审-快-PJ2018-01-09。结果与结论:(1)试验组换药后28 d的创面愈合率、患者满意度均高于对照组(P <0.05),创面愈合时间、换药次数、创面疼痛评分、敷料二次创伤积分、操作难易性评分明显低于对照组(P <0.05);(2)溃疡创面愈合后6个月,对照组为瘢痕评分明显高于试验组(P <0.05);(3)换药期间及创面愈合后6个月,两组均未见肝肾损伤,未发生局部过敏等不良反应;(4)结果表明仿生聚乳酸/明胶纳米纤维膜是安全、有效的,可显著缩短创面愈合时间、减少换药次数、降低创面换药时的疼痛感和二次创伤、方便临床医护人员使用、提高患者舒适度和满意度。

手持静电纺丝可降解纳米纤维原位修复全层皮肤缺损

背景:传统静电纺丝纳米纤维制造过程相对复杂,制造条件要求高,无法适应创伤、烧/烫伤等组织缺损的应急事件中快速组织修复的需求。目的:观察手持式静电纺丝聚乳酸/明胶可降解纳米纤维膜对小鼠皮肤缺损原位修复的效果。方法:(1)采用自制3D打印的手持式静电纺丝设备制备聚乳酸/明胶可降解纳米纤维膜,检测其接触角、水蒸气透过率;(2)以浓度100%,50%,20%的聚乳酸/明胶可降解纳米纤维膜浸提液培养胎鼠成纤维细胞,采用CCK-8细胞毒实验评估材料残留溶剂毒性;将胎鼠成纤维细胞与聚乳酸/明胶可降解纳米纤维膜共培养(实验组),设置单独细胞培养为对照,Alamar blue法检测细胞增殖,活/死染色观察细胞存活率,扫描电镜观察细胞形态;(3)在18只Balb/c小鼠背部制作直径2cm皮肤全层缺损,实验组进行手持静电纺丝原位聚乳酸/明胶可降解纳米纤维膜修复后纱布包扎,对照组进行纱布包扎,术后8周进行缺损部位苏木精-伊红和Masson染色,观察缺损皮肤修复效果。结果与结论:(1)聚乳酸/明胶可降解纳米纤维膜的接触角为(32.68±5.68)°,属亲水材料,适宜细胞黏附;24 h水蒸气透过率为(4.21±0.11)×10~3 g/m^2,可满足皮肤外敷料的要求;不同浓度的聚乳酸/明胶可降解纳米纤维膜浸提液无明显的细胞毒性;(2)实验组胎鼠成纤维细胞具有与对照组细胞等同的细胞活性,但具有更快的增殖速度与更长的增殖时间;(3)苏木精-伊红和Masson染色显示,实验组小鼠皮肤伤口全层愈合,材料降解完全,毛囊再生;对照组小鼠皮肤未全层愈合;(4)结果表明,手持式静电纺丝聚乳酸/明胶可降解纳米纤维实现小鼠皮肤全层缺损的原位修复。

3D生物打印肿瘤模型诊治平台质量控制标准

3D生物打印是一种创新生物制造策略,该技术可以在规定的3D层次结构中精确定位包括活细胞和类细胞外基质成分在内的生物制品,创建具有生物活性的人工多细胞组织或器官,为研发更接近真实状态的新型人类组织体外模型提供了一种全新的思路和方法。尽管目前该技术仍处于早期阶段,但生物打印策略已被广泛证实在精准治疗和再生医学中拥有巨大潜力。3D生物打印不仅可以在体外生成人体正常的类组织器官,其生成的肿瘤模型还能够极大程度地保留与亲本肿瘤相一致的组织病理学特征、生物标志物表达以及基因突变和表达谱,不仅可以作为新药研发的优良模型,而且在药物敏感度检测预测患者疗效中的准确度也较高,因此可以为肿瘤患者的个体化精准治疗提供有力支持。然而,3D生物打印技术在指导临床治疗中的应用尚处于起步阶段,与传统的2D组织培养相比,3D生物打印肿瘤模型的建立需要更为严格的质量控制标准和更高的技术水平。随着近年来3D生物打印技术的飞速发展,3D生物打印肿瘤模型已经广泛应用于包括肝细胞癌、胰腺癌、结直肠癌、卵巢癌和神经母细胞瘤在内的多种实体瘤中,但目前在全世界范围内尚无利用3D生物打印肿瘤模型进行药物敏感度检测的规范化标准。因此,为了推动3D生物打印技术在肿瘤药物敏感度检测及精准治疗方面的规范应用,本团队基于自身多年积累的研究成果撰写了本文,且后续将根据研究进展不断地进行更新和修订。

3D肿瘤球对肿瘤浸润淋巴细胞的体外激活扩增及抗肿瘤的作用

肿瘤浸润淋巴细胞(tumor-infiltrating lymphocytes,TILs)介导的过继性免疫治疗已在多种实体瘤中取得良好疗效。然而,传统TILs体外扩增方法效率低,难以达到治疗级别的细胞数量和高肿瘤杀伤活性要求。为了研究3D肿瘤模型对TILs体外激活扩增及肿瘤杀伤活性的影响,为TILs体外扩增提供新策略,本研究从肺癌患者手术样本中获取TILs和原代肿瘤细胞,对比观察2D及3D培养条件下肺癌细胞系NCI-H1975及原代肺癌细胞对TILs激活扩增及抗肿瘤作用的影响;向3D培养原代肿瘤~+TILs中添加程序性死亡受体1(programmed cell death protein 1,PD-1)抗体,验证PD-1抗体对该体系中TILs浸润杀伤肿瘤细胞的影响。结果表明,相比于2D培养,3D培养的H1975肺癌细胞系可使TILs在一定时间内显著扩增,并提升TILs中CD3~+/CD8~+细胞的比例(61.6%);3D培养的原代肿瘤球也可刺激增加CD3~+/CD8~+TILs细胞的比例(45.5%,54.4%),诱导肿瘤上皮细胞的凋亡,使其存活率降至16.7%;进一步研究表明,PD-1抗体的引入促进3D原代肿瘤球共培养介导的TILs的增殖、提高CD3~+/CD8~+细胞的比例(50.9%,57.0%),并显著提高其抗肿瘤效力(肿瘤上皮细胞整体存活率降至9.36%)。综上所述,3D肿瘤球显著增强TILs细胞的体外激活增殖及抗肿瘤能力,且PD-1抗体进一步促进3D肿瘤球介导的TILs细胞增殖及其杀伤肿瘤的效力。

展望个性化治疗:生物3D打印与药物筛选和递送

个性化治疗又称个性化医疗或者精准医疗,是指以患者疾病的遗传学信息及具体的疾病情况为指导,有针对性地制定治疗方案来提高患者的治愈率和降低副作用的一种治疗模式。自2015年“精准医疗(Precision Medicine)”计划被提出以来,世界各国都启动了投资巨大的个性化医疗研究专项。我国在2016年3月召开了国家首次精准医学战略专家会议,预计到2030年前将在精准医疗领域投入600亿元。精准医疗这种治疗模式,需要根据患者的身体情况与病情发展对其进行个性化的药物筛选和药物递送。然而传统的制造技术难以为药物筛选提供高度仿生的体外模型,也难以为药物递送制备复杂、精确的递送系统,而近年来出现的生物三维(three dimensional,3D)打印技术将有能力解决这些问题。

提升类器官构建质量:生物打印还是手动操作?

人源类器官在再生医学、药物筛选和疾病建模方面的前景已被广泛认可.然而,在充分发挥其潜力之前,必须解决当前类器官制造中的局限性,包括批次间差异大、组织成熟度不够或缺乏高阶结构、尺寸受限和产量低.用于类器官制造的常规且易于使用的方案包括手动将细胞悬液混在圆顶状水凝胶(例如基质胶)中。

通过3D打印技术制备颅脑实体模型

目的以3D打印技术制备颅脑实体模型，应用于术前手术计划及模拟手术。方法颅脑CT薄层扫描厚度为0.5 mm，MRI层厚1 mm，由CT、MRI、CT血管造影、功能性磁共振成像分别提供骨组织、脑组织及肿瘤、脑血管及动脉瘤、传导束及功能区等影像数据，通过mimics三维重建软件的识别，将不同灰度表示的组织抽离出来，重建成彩色的三维图像，通过3D打印制备颅脑实体模型进行术前设计及模拟手术。结果 利用3D打印颅脑模型可立体直观地显示鞍区各手术间隙的大小，有利于术前手术间隙的选择；脑动脉瘤成像模型可直观体现动脉瘤与周边组织关系，可直接应用于动脉瘤夹闭模拟手术，选择合适的动脉瘤夹；颅脑肿瘤模型可清晰显示肿瘤与传导束、功能区的空间关系，体现头颅标本无法显示的传导束及功能区位置，有利于功能保护。结论 3D打印颅脑实体模型有望极大地提高神经外科术前手术设计的质量，将虚拟可视化模型观察进展到实体模型模拟手术，并有利于颅脑功能解剖知识学习。

基于材料特征表达的非均质实体模型建模

为表达生物材料的非均质性,提出基于材料特征的非均质实体模型。材料特征作为设计意图的高层抽象,用以表达实体某一特定子区域的材料分布。材料特征通过材料组分分布函数来表达,讨论了材料组分分布函数的定义、形式和定义域。提出材料特征的三层模型,并对材料特征进行了分类,讨论了特征对应的函数表达式和定义域等要素。借助开放源码的图形核心VTK(V isua lization T oo lK it)实现了一个原型建模系统,系统继承了特征建模的优点,使设计者可以根据设计规则、功能需求直观地设计实体内部的材料梯度。

3D打印技术在颅底外科手术规划中的应用

目的探讨3D打印技术制作的颅底疾病模型用于术前规划、模拟手术的价值。方法南方医科大学珠江医院神经外科自2015年3月至2015年12月应用3D打印技术辅助颅底外科手术治疗复杂颅底肿瘤或脑血管病患者9例，其中脑膜瘤6例，神经鞘瘤1例，表皮样囊肿1例，多发性动脉瘤1例。术前获取患者头颅CT／MR资料，应用Mimics Research17．0软件进行三维重建，借助3D打印机打印出颅底疾病模型，并在实体模型上模拟手术和制定手术方案。回顾性分析患者的临床资料和疗效。结果术者均在术前完成了颅底疾病模型的制作，模型能清楚显示颅底病变的形态及其与邻近大血管、颅骨的空间关系，并在体外进行模拟手术。术中借助3D模型指导肿瘤切除或动脉瘤夹闭，除1例表皮样囊肿囊壁次全切除、1例脑膜瘤次全切除外．余6例颅底肿瘤均全切除。多发性动脉瘤患者双侧后交通动脉瘤均夹闭、基底动脉顶端动脉瘤未夹闭。未出现严重并发症及死亡病例。结论3D打印颅底疾病模型技术上可行，能够有效辅助复杂颅底疾病手术方案的制定及模拟手术，提高手术效率和安全性。

呼吸暖体假人的技术发展及其在健康建筑领域的应用与展望

健康建筑的核心理念是"以人为本",室内环境直接影响人体健康、舒适及工作效率,而室内人员的直观感受和健康效应则是营造室内环境的关键性评价指标.本文从如何营造人体微环境气流和构建呼吸道体外模型角度着手,对呼吸暖体假人在个体暴露领域的最新研究进展进行了综述,介绍了暖体假人的模型结构、实现方法、功能、特征及控制,总结了人体微环境区域的流场特性和污染暴露影响因素,讨论了人体吸入暴露研究的现状和难点,并展望了使用呼吸暖体假人进行人体健康效应研究的发展前景.本文旨在促进发展更合理精确的环境控制技术,实现健康建筑.

肿瘤类装配体“镜像”重现肿瘤微环境

2013年, Beekman团队[1]针对精准医疗提出"肿瘤类器官(tumor organoid)"概念,将患者源性的肿瘤细胞,借助工程化手段培养在三维胞外基质材料中,辅助以不同组合的生长因子,促进细胞分化发育形成类似于体内器官结构的肿瘤微球.因其基因型和表型与亲本高度相似,肿瘤类器官被认为是一种较为理想的可用于肿瘤基础研究和临床前药物筛选的体外三维组织模型[2~4].但是,目前的肿瘤类器官模型存在一些基本的局限性,即缺乏血管系统及复杂间质细胞成分,无法模拟肿瘤微环境内空间组织及各细胞类型间的关键性相互作用,难以实现长期培养.

淋巴结-肿瘤双靶向型外泌体:双效协同肿瘤免疫治疗

肿瘤免疫治疗可以调动机体自身的免疫系统识别杀伤肿瘤,是目前临床治疗中极具前景的肿瘤治疗新策略[1,2].但是,并非所有的患者都会响应免疫治疗,这归因于:(1)患者体内能够特异性识别肿瘤细胞的效应T细胞数量不足;(2)肿瘤免疫抑制微环境对免疫细胞的抑制作用.事实上,现有的大部分肿瘤免疫治疗侧重于提升体内免疫细胞的功能和数量.

水凝胶疗法:为CAR-T细胞提供激活“驻地”

近年来,肿瘤免疫疗法的兴起为广大癌症患者带来了新的希望,其中, CAR-T(chimeric antigen receptor-T)细胞疗法无疑是最受关注的.简单来说,这种癌症疗法就是收集癌症患者的T细胞并对其进行重新编程,然后再把它们输送回患者体内,这些改造后的CAR-T细胞就会精准地摧毁癌细胞.