3D打印机的前景:3D打印器官

2020-11-03 11:01:26 anet 5

3D打印器官:最有发展前途的项目

3D打印机前景:3D打印器官

  3D打印出功能性器官和组织的能力将改变世界游戏规则

  尽管世界各地发生了成千上万的器官移植,但这根本无法满足器官捐赠的不断增长的需求。不幸的是,活体和已故的捐赠者如今是这些救生器官的唯一可行来源,因为我们不能在器官工厂生产它们。

  再生医学是一个跨学科的医学分支,致力于通过修复甚至替换受损或受损的细胞来促进器官和组织再生的方法。它采用了广泛的技术,包括干细胞治疗和组织工程,这是3D打印正在被广泛研究的地方。

  在本文中,我们将按器官的类型介绍3D打印器官项目的最新和最令人兴奋的发展。在开始之前,让我们建立3D生物打印的真正含义,以及如何将其应用于产生组织和器官。

关于生物3D打印

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  3D生物打印仍在发展中,但已经取得了一些成功的结果

  简而言之,3D生物打印基本上是增材制造技术的应用,以创建用于组织工程的三维结构。不用说,它涉及多个过程,从设计有机结构到材料的后刺激(称为成熟),都非常复杂。

  尽管存在不同的生物打印方法,但也许最常见的是类FDM3D打印工艺,其中将粘性材料逐层挤出并沉积。这种材料被称为生物墨水,主要由细胞和载体物质组成,通常是用作3D支架的生物聚合物凝胶。

  Bioink开发是其自身的研究领域,与医学研究人员和生物打印机开发人员紧密合作。尽管生物打印仍处于起步阶段,但到目前为止,我们已经取得了许多令人激动的突破,正如我们将在本文中看到的那样。

  现在,不用多说,让我们谈谈迄今为止一些最有前途的器官3D打印项目。

一、3D打印肾脏

3D打印肾脏

  肾脏是最需要的移植器官,是理想的生物打印候选者

  在所有可能进行3D打印的器官中,肾脏可能是最难重建的器官之一,这主要是由于其内部结构非常复杂。然而,肾脏是最需要移植的器官,因此,肾脏最适合进行器官批量生产。

  为此,早在2016年,哈佛大学刘易斯实验室的科学家就开发了一种新颖的生物打印方法,该方法可以创建肾单位的小片段,称为近端肾小管。肾单位是肾脏的最基本结构,负责这些器官中的所有血液过滤。

  快进到2019年,美国生物打印公司Organovo宣布通过其自己的生物打印平台Organovo NovoGen成功自动化生产肾脏类器官。这些是自组织的基于干细胞的结构,可以相对快速地大量生产。

  最近,在2020年9月,联合治疗公司(United Therapeutics Corporation) 与以色列再生医学公司CollPlant Biotechnologies合作,将其材料技术(rhCollagen)应用于肾脏生物印记的开发。

二、3D打印肝脏

3D打印肝脏

  Organovo的3D生物打印机能够打印肝脏组织斑块

  在美国,有超过450万人受到某些肝脏疾病的影响。这几乎占整个人口的2%,而到今天为止,晚期肝病唯一可行的治疗方法是移植。不用说,器官需求和可用性之间的差距不断扩大。

  2016年,来自加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员能够3D打印有机组织,这些有机组织在结构和功能上都模仿了真实的肝脏结构。那时,这种生物工程组织被制药业用于药物开发和测试。

  Organovo(上面提到了它们的肾脏功能)也能够对肝脏组织斑块进行3D生物打印,并且在2018年,它进一步将它们植入活体小鼠中。结果非常积极,植入后一个月的组织保留和功能得到验证。当时,部分肝移植的目标是在2020年进行人体试验,但尚未实现。

  来自圣保罗大学的巴西研究人员报告称,在2019年底成功进行了“微型肝脏”的生物打印。这些类器官结构来自人类的血细胞,并具有肝脏的正常功能,例如产生蛋白质,储存维生素,甚至分泌胆汁。根据研究人员的说法,从收集患者的血液到微型肝脏的最终成熟,整个过程大约需要90天。

三、3D打印心脏

3D打印迷你人类心脏

  2019年见证了首个完全血管化的3D打印迷你人类心脏

  到目前为止,最有前途的3D生物打印器官计划都是针对心脏的。随着器官的发展,心脏实际上是最容易重建的心脏之一,因为它没有进行任何复杂的生化反应。相反,它的主要功能是充当液压泵。

  在威克森林再生医学研究所(WFIRM)是美国研究机构集中在组织工程中的各种应用,包括移植。早在2018年,一个WFRIM研究小组声称使用小鼠细胞进行了3D生物打印功能性心脏组织。

  特拉维夫大学分子细胞生物学与生物技术学院的研究人员在2019年以史无前例的全血管化3D打印迷你人类心脏震惊了世界。该生物印制的器官是由取自患者的人类细胞和载体凝胶制成的。TAU的团队现在正在努力使心脏细胞成熟并使它们充分发挥功能。

  总部位于芝加哥的Biolife4D公司在2019年也实现了类似的突破,宣布了自己的生物打印心脏。但是,与特拉维夫大学开发的软件相比,该软件在功能上有所扩展,并且也更大。

  在过去几年中有许多重要的突破,专家们预测,在十年内可能会准备好可移植的生物打印心脏。

四、3D打印角膜

3D打印角膜

  纽卡斯尔大学的科学家站在用于移植目的的3D打印生物角膜的最前沿

  角膜是眼睛最透明的最外层。这对于帮助我们集中视力并保护眼睛免受环境影响至关重要。全世界有数百万人由于疾病或疤痕而患有角膜失明,通常需要进行角膜移植。

  2018年,纽卡斯尔大学的科学家首次能够3D打印人角膜。通过将干细胞与藻酸盐和胶原蛋白结合,可以形成一种独特的生物墨水,该墨水可以在不到10分钟的时间内圆形挤出,形成角膜形状。

  尽管纽卡斯尔大学的项目是一个概念验证项目,但土耳其马尔马拉大学的一个研究小组实际上已经提出了一个可能适合移植的项目。2020年6月发表了题为“ 3D打印的人工角膜用于角膜基质移植”的 论文,并显示出很大的希望。

  打印过程依赖于铝模,在该铝模中,类似FDM的3D生物打印机会沉积基于PVA的材料。该生物墨水材料在初步测试中显示出极好的生物相容性,并且通过特殊的电子显微镜和紫外分光光度法验证了角膜的光学性能。

五、3D打印骨头

3D打印人体骨骼骨头

  脚手架结构3D打印骨头必须是多孔的,并且理想情况下应随时间被人体吸收

  骨骼是人体的主要结构成分,由于事故或疾病,人可能会折断甚至完全失去骨骼。对于此类情况,与人工矫形器相比,骨植入物是最佳的解决方案,但不幸的是,它们共享了移植所需的大多数器官的稀缺性问题。

  3D打印矫正器的领域非常广泛,也许是金属3D打印最流行的“现实”应用之一。在2018年,不仅生产了100,000多个髋关节杯植入物,而且还将其植入真实患者体内。所谓的Delta-TT杯是通过增材制造技术电子束熔化(EBM)以钛合金制成的。

  但是,对于骨骼生物打印,情况要慢一些。传统的生物打印技术使用人类细胞作为原料,而骨骼生物打印通常涉及在人体最终建立骨骼的地方建立支架结构。这是英国东英吉利大学的科学家与动物健康基金会(Animal Health Trust)于2019年合作完成的。然而,对于这个脚手架项目,研究的对象是活马。

  今年,来自荷兰代尔夫特理工大学生物力学工程系的研究人员在具有可生物降解的纯镁的3D支架打印中发现了有价值的发现。这种材料最适合用于骨骼支架,因为它具有与天然骨骼相似的机械性能,并能刺激其形成。

六、3D打印人体皮肤

3D打印皮肤

  3D生物打印血管化皮肤组织

  皮肤是人体最大的器官,也是生物打印的目标,因为它容易受到很多伤害。严重的皮肤损伤,如烧伤或中毒的治疗,再次被移植。但是,在这种情况下,患者是他们自己的供体,从身体其他部位移植健康的皮肤。

  不幸的是,该技术仅适用于相对较小的受损区域,这就是为什么皮肤生物打印技术得到了很大的发展和兴趣的原因。这个想法是生产由患者自己的细胞制成的皮肤斑块,从而提供与接收器100%兼容的移植物来源。

  2019年,纽约伦斯勒理工学院的研究人员能够用血管3D打印“活着的”皮肤斑块。这是一个关键的里程碑,因为到目前为止,每个生物打印的皮肤都缺乏血管功能。下一步是开发一种方法,可在微观层面整合从贴片到患者自身皮肤的血管。

  另一方面,澳大利亚的初创公司Inventia Life Science一直在研究一种可以将皮肤直接3D打印到患者伤口上的设备。皮肤细胞将使用与喷墨打印相同的原理沉积为微小的液滴。Inventia是生物技术行业的知名企业,最近因2020年的3D打印皮肤项目而获得了巨额投资。

七、3D打印卵巢

3D打印卵巢

  3D打印小鼠卵巢的一部分支架结构

  卵巢是复杂的生育生物学过程的重要组成部分。可悲的是,在美国,每年有成千上万的女性患有卵巢问题,这可能导致不孕。从自身免疫性疾病到不相关的癌症治疗(如化学疗法),损害大多是不可逆的。

  芝加哥西北大学的研究人员完全致力于开发一种可以移植到女性中的人工卵巢,使她们可以生孩子。2017年,莫妮卡·拉朗达(Monica Laronda)领导的一个团队使用了生物打印技术,使不育小鼠得以分娩。

  该团队没有复制整个卵巢结构,而是开发了不同的3D打印支架结构,然后将其植入小鼠体内并使其随时间增长。一些结构被证明是非常有效的:在与人造卵巢交配的七只小鼠中,三只最终生出了健康的幼崽,后来成为典型的成年小鼠。

  2020年,来自西北大学的同一个研究小组从猪卵巢中鉴定出了结构蛋白,这些蛋白与人类发现的蛋白几乎相同。据Laronda称,目标是使用这些蛋白质来工程化3D打印的生物支架,该支架能够支持一堆潜在的卵和产生激素的细胞。

八、3D打印耳朵

3D打印耳朵

  WFIRM的3D打印活体耳朵和肌肉植入物在动物试验中取得了成功

  耳朵不仅是人体的功能部分,而且具有一定的美感。作为一个非常社会化的物种,人类不断意识到自己的外表。看起来并不总是好看还是漂亮,但看起来大都一样。

  重建手术是一种医学领域,旨在恢复因先天缺陷,外伤和医疗状况引起的异常或畸形的功能和正常外观。鼻子和耳朵是复杂的结构,很难重建,尤其是在完全破坏的情况下。

  但是,创建复杂的结构是3D打印的独特功能之一。2016年,WFIRM的研究人员报告称已成功将3D打印的活体耳朵和肌肉结构植入动物。这样的部件主要用作结构部件,而不执行化学相互作用,从而简化了生物打印过程。

  快进到2019年,澳大利亚卧龙岗大学的一个团队与Payal Mukherjee教授一起开发了一种3D生物打印机,能够生产用于重建手术的人耳。所谓的“ 3D Alek ”打印机使用的是人类软骨材料,目前已安装在悉尼的皇家阿尔弗雷德医院。目的是加快开发特定于患者的生物墨水材料以生长软骨材料。


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