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這五所大神級3D生物打印研究機構真是逆天了!

來源:網絡

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所屬頻道:新聞中心

關鍵詞:3D生物打印

      3D打印是一項讓人著迷的技術。因為它可以快速高效的制造出個性化的產品。隨著打印技術的成熟,3D打印逐漸被引入到醫療行業,因為每年都有很多人在苦苦等待合適的組織和器官移植。

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      3D生物打印機

      據Wohlers Associates統計,僅在2014年,3D生物打印在醫療行業的市場需求為5億美元。在每年高達18%的復合年均增長率地推動下,預計到2022年,3D生物打印的市場規模將激增至18億美元。

      高校和科研院所作為當今社會創新最活躍的組織機構,正在催生一場由3D生物打印引領的醫療革命。

      Harvard University:開含血管組織3D打印先河

      關于Harvard University,我想應該不用做太多的介紹,即使是今天要介紹的哈佛大學Wyss研究所,在業界也是大名鼎鼎。

      在十余年之前,3D生物打印還沒有現在這么火。那時候研究人員已經可以用3D打印機打印一些生物材料,但是他們打印的組織總是很薄(厚度大約為一角錢的三分之一),因為他們找不到在組織里面植入血管的辦法。在這樣的情況下,打印的組織稍微厚一點點,里面的很多細胞就會因為缺少營養物質,代謝產物無法排出,最終窒息或者毒發身亡。

      哈佛大學Wyss研究所Jennifer A. Lewis實驗室的研究人員率先解決了這個問題。Lewis帶領的研究團隊發明了一種新的3D打印方法,可以打印出布滿血管,由多種細胞和細胞間質組成的組織。2014年2月,Lewis實驗室的研究成果刊登在《Advanced Materials》上。

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      Jennifer A. Lewis

      要打印出包含血管的模擬人體組織,打印材料是關鍵。Lewis研究團隊開發了三種不同的“生物墨水”:固定細胞的細胞間質“墨水”;細胞間質和特定細胞混合成的“墨水”;以及為了生成血管而特制的“墨水”,這種墨水有一種特殊的性質,在低溫的條件下會自動融解。

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      人工組織中細胞分布圖

      在將三種“墨水”在特定的程序下打印完畢之后,將人工組織置于低溫條件下,此時那些為血管預留的位置就會逐漸融化開來,剩下的就是布滿各種管道的組織。此時,Lewis研究團隊會在管道中注入血管內皮細胞,這些細胞就會附著在通道內壁,重新發育成成熟的血管。至此,一個模擬人體組織的人工組織便形成了。

      Lewis研究團隊的研究成果讓3D打印又往前走了一大步。Lewis的終極理想是打印出可以用于人體移植的器官,但是在當時的條件下,顯然還有很長的路要走。但這并不妨礙Lewis將她的研究成果用于藥物的研發。

      Carnegie Mellon University:想要打印心臟和大腦

      Carnegie Mellon University(卡內基梅隆大學,簡稱CMU),坐落在賓夕法尼亞州的匹茲堡,是一所美國著名的研究型大學。

      當大部分研究人員都在研究如何打印骨骼、鼻子和耳朵的時候,來自CMU的Adam W. Feinberg研究團隊卻不滿足于此,他們還想要打印心臟和大腦。

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      Adam W. Feinberg

      Feinberg研究團隊聲稱,他們已經能夠利用冠狀動脈的MRI影像以及胚胎心臟的3D圖像,通過3D生物打印,以較高的分辨率和質量,將膠原蛋白、海藻酸鹽和纖維蛋白等軟材料,打印成無生物活性的動脈等。2015年10月Feinberg研究團隊的3D打印研究成果刊登在《科學進展》上。

      在不久的將來,Feinberg研究團隊會把心臟細胞納入這些3D打印組織結構,利用這個支架的幫助人工心臟形成具有收縮能力的肌肉。

      University of California, San Diego:利用IPS細胞打印人工肝臟

      University of California, San Diego(加州大學圣迭戈分校,簡稱為UCSD,又常譯為加州大學圣地亞哥分校)是一所位于美國加州的著名公立大學。

      1989年畢業于清華大學、現任職于UCSD的Shaochen Chen教授發現,獲得FDA批準上市的藥品的研發道路是極其曲折的,這中間一般需要12年的時間和18億美元的資金投入。這主要是因為研究人員在研發藥物時,沒有合適的實驗模型。

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      Shaochen Chen教授

      所以Chen教授就想為那些藥企制造模擬人體器官,希望能大幅降低藥企研發成本,加快新藥面市的進程。于是,Chen教授就帶領團隊開始了3D打印器官的研究。

      今年2月份,Chen教授利用3D生物打印設備打印肝臟的研究論文刊發在《PNAS》上。在Chen教授的人工肝打印中使用了誘導多功能干細胞(iPSCs)、誘導脂肪源干細胞和臍靜脈內皮細胞,將這三種細胞聯合打印,便可以形成模擬的人工肝。

      Wake Forest University:全球首個動物體可存活3D打印耳朵

      Wake Forest University(維克森林大學)建于1834年,是美國一所極富盛名的綜合性研究大學,連續18年全美大學綜合排名25名左右,素有“南哈佛”的美譽。由于該校對招收國際學生相當嚴格,故而在中國知名度較低。

      對于3D生物打印器官而言,長久以來,一直困擾研究人員的一個問題是:如何讓血液在打印的器官中流動,以保證打印器官中的細胞存活。

      今年2月份來自Wake Forest University的Anthony Atala團隊,為解決這一世界性的難題做出了巨大的貢獻。他們的研究成果刊登在《自然生物技術上》。

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      Anthony Atala

      Atala團隊創建了一種新的打印模型(ITOP生物打印機),可以打印布滿小通道的骨骼、肌肉和軟骨組織,這種組織在植入小白鼠和兔子體內之后,通道里便可以長出血管,給打印的器官提供養分,維持器官的功能。

      最讓人興奮的是,ITOP目前可以打印出可以在小鼠身上存活的耳朵。這表明Atala團隊使用的“生物墨水”和ITOP制造的微型通道給打印器官成活提供了合適環境。

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      在研究中,Atala團隊還在小鼠體內測試了ITOP打印的肌肉和顎骨,它們均能在小鼠體內形成血管和相應的軟組織。目前ITOP打印技術還沒有用于人體器官的打印,但是由于ITOP具有較強的適應性,下一階段,Atala團隊將利用ITOP開展人體器官打印研究。

      University of Wollongong:手持式3D打印機

      University of Wollongong(UoW,伍倫貢大學,曾用名:臥龍崗大學)建于1951年,位于澳大利亞新南威爾士州伍倫貢市,澳大利亞十大研究型大學之一。

      UoW的Gordon G Wallace研究團隊,聯合墨爾本St. Vincent‘s醫院聯合開發了一臺引領3D打印新變革的打印機。這臺打印接很特別,因為確切的來講它實際上是一支筆,一支可以完成3D打印的筆,它的名字叫3Doodler,長相如下圖。

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      G Wallace帶領的團隊研發這支筆的初衷是:外科醫生用這支筆將細胞直接“畫”在受傷的骨頭或者軟骨上,以快速便捷地完成修復手術。目前3Doodler正在St. Vincent’s醫院開展臨床試驗。

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      Gordon G Wallace

      3Doodler的工作原理跟我們平時使用的自來水筆很類似。首選需要在筆內灌裝藻酸鹽和干細胞混合而成的“生物墨水”,然后3Doodler會將“生物墨水”噴在骨頭上,這些覆蓋在骨頭上的“生物墨水”在3Doodler發出的UV光照耀下發生固化,此時那些干細胞就被固定在受傷的骨頭上。這些干細胞在合適的條件下會增殖,并分化成神經細胞、肌肉細胞和成骨細胞。最終形成新的組織。

      從Wallace今年3月份發表在《Biofabrication》的研究結果來看,目前3Doodler打印出來的細胞存活率高達97%以上。如果這種生物打印筆取得臨床成功的話,將是對軟骨組織修復手術的一次改革。

      從上面幾所研究機構的代表性研究成果不難看出,從只能打印出沒有生物功能的組織,到具備部分功能的組織,再到直接可以臨床應用的手持式原位打印設備。在短短的數年之間,3D打印技術已經取得了長足的進步。

      干細胞技術的引入,讓“生物墨水”的功能變得更加強大,研究人員因此擁有了更多的想象空間。但它同時也給研究人員帶來了一些挑戰,因為控制干細胞的分裂和分化是一件不容易的事情。研究人員還需要做更多的動物實驗,研究這些打印的組織到底能不能在動物體內安全持久的工作。

    (審核編輯: 滄海一土)

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