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以专业论文分析生物3D打印的现状和前景

作者:金宝搏    更新时间:2020-09-11 08:14

  来自全球大学、科研机构和医院的研究人员和科学家聚集在一起,为3D生物打印领域制定了发展路线图,并在《生物制造》杂志上发表了论文。这篇论文详细介绍了生物打印的现状、该技术在特定应用中的最新进展以及当前的发展和挑战。它还预想了该技术在未来如何改进,并详细介绍了特定路线图的研究方向。

  每个论文作者都从事着生物印刷领域不同主题的工作,以专注于研究。这些主题涉及从细胞扩增和新型生物墨水开发到细胞/干细胞印刷,从基于类器官的组织到人体规模组织结构的生物印刷,以及从构建细胞/组织/单体器官到生物制造、多细胞工程化的活体等方面。

  作者在解释生物3D打印路线图的必要性时,在论文摘要中解释说:“生物印刷技术方法论正在迅速发展和推广应用,但该领域未来的发展方向尚不明确。此生物印刷路线图通过提供全面的摘要和建议,来解决这一迫切的需求,这些摘要和建议对有经验的研究人员和该领域的新手都有指导作用。”

  在论文的引言中,费城德雷塞尔大学和中国清华大学工程学院的客座教授孙伟解释了一般生物打印必须克服的挑战。这些工作围绕着新一代生物墨水的创建而展开,这些生物墨水能够更好地为细胞起到输送、保护和促进生长作用。改进生物印刷工艺、有效交联、与微流体设备集成,为培养生物3D打印模型提供了长期的模拟生理环境。

  论文的第一部分“从细胞扩增到细胞3D打印”,讨论了细胞扩增在生物打印过程中的重要性。报告指出,需要改进基于生物反应器的细胞扩增系统,以提高生物医学在再生医学和人工组织领域的采用率。基于生物反应器的系统,相比利用平板培养方式的传统方法能够更快地扩增细胞。

  接下来,作者还研究了对生物打印过程至关重要的生物墨水。尽管在用于生物印刷的生物墨水工程学方面取得了重大进展,但该论文指出,仍然需要大量的工作以提升细胞在微环境中的封装程度,从而改善天然组织、器官的复制及其复杂性。

  论文涉及的另一个主题是干细胞的生物打印。研究人员称,由于其作为细胞源的强大可再生性,以及在人体内分化和成熟为多种细胞类型的潜力,这一领域保持了“对生物医学研究和应用的巨大希望”。但是,在实发掘干细胞生物打印的全部潜力之前,仍有许多障碍和挑战需要克服。这些障碍概括为三个方面:物理印刷效应对干细胞生物印刷的影响;生物墨水的特性;以及3D培养的干细胞的生物学挑战。最近,多伦多大学(UoT)和森尼布鲁克健康科学中心的研究人员开发了一种能够可以治愈烧伤创面的干细胞生物3D打印纸。

  论文继续讨论“大规模有效地生产类器官或细胞聚集体”。类器官是有用的,因为它们有效地模仿了体内组织或器官的生理微观结构。大规模生产类器官的一个重大障碍是生产成本高和生产困难。

  研究人员还探索了3D打印的生物杂交组织,作为研究疾病的体外生物学模型。3D生物打印通过使组织具有精确的细胞空间排列,从而具有创造更好的疾病模型的潜力。体内组织的许多功能不可或缺,但用于评估药物反应时,却无法在生物打印中成功复制。这包括多层屏障功能以控制外用药物的透皮递送;而研究人员发现可以通过创建3D打印的生物杂交组织来复制这种功能,从而更好地进行药物试验。

  除了进一步探索组织合成、单片器官发育和多细胞工程化的生活系统外,该论文还研究了外层空间的生物打印。多亏了微重力,在太空进行生物打印的一个优势是创造了具有更多流体形状、生物相容性的生物膜3D打印结构。此外,微重力条件允许对更复杂几何形状(如空隙、空腔和孔道)的组织和器官构造进行3D生物打印。

  美国、欧盟、俄罗斯和中国的数个研究小组和公司已经在探索这种努力,他们正在积极准备在太空进行生物打印所需的研究设施和设备。例如,3D生物制造设施已经在国际空间站(ISS)上开始试验。包含用于生物制造设施的3D打印耗材的有效载荷,已经运送到国际空间站用于保存人体细胞、生物墨水和新的3D打印陶瓷流体歧管的样品,以代替以前使用的打印聚合物材料。3D生物打印解决方案俄罗斯生物技术研究实验室也将其磁性3D生物打印机Organ.Aut安装在国际空间站上。该公司最近能够在零重力下对骨骼组织进行生物3D打印。

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