多尺度浸入式打印实现"大小通吃"
于紫月
"嗡嗡嗡……"30厘米见方的操作台上,一根3D打印针头扎进透明"果冻"中,针口处不断挤出一根"红线",在"果冻"中沿着电脑规划好的路线来回移动"作画"。当针头自下而上移动到"果冻"上端时,只要按下暂停键,再将一层新"果冻"叠加到旧"果冻"上面,针头又开始"画"起来。最终,一颗高约6.5厘米的红色心形3D模型被仅有1.27厘米长的小针头精准打印出来。
近日,正在美国内华达大学交流学习的大连理工大学机械工程学院博士生张诚在视频连线中,向记者展示了浸入式生物3D打印技术。
"我们用的'红线',是可以模拟细胞外环境的水凝胶生物材料。它有一个很形象的名称,叫'生物墨水'。"张诚解释,这种利用生物墨水打印生物器官或组织的浸入式打印技术,是生物3D打印的重要分支。
大连理工大学机械工程学院教授赵丹阳告诉记者,以往浸入式生物3D打印技术,只能用小针头打印特别小的生物组织。如今,用小针头也可以制造像心脏这样的分米级大尺寸器官。日前,赵丹阳团队与美国内华达大学雷诺分校教授金翼飞团队等组成的海内外联合研究团队,历经多年持续攻关,提出多尺度浸入式打印(MSEP)策略,实现了"一策多用"和"大小通吃"。相关成果发表在学术期刊《美国国家科学院院刊》上。
可支持复杂器官制造
生物3D打印技术基于增材制造原理,以活性细胞、生长因子、生物材料等为主要原料制造生物组织和器官,是再生医学工程领域的重要制造手段。在过去十几年里,生物3D打印技术一直处于快速发展阶段,为医疗、生物学、材料和制造领域带来巨大变革和创新。近年来,较为成熟的生物3D打印技术应用成果频见报端,其涵盖药物、伤口敷料、器官芯片、药物缓释系统、假肢、人体组织器官模型以及生物机器人等多个医学领域。
"浸入式生物3D打印技术在生物3D打印中扮演重要角色,为制造复杂生物组织和器官提供了关键支持。"作为论文第一作者,张诚谈起浸入式3D打印技术时如数家珍,"传统的方法是利用针头挤出生物墨水,在特定的支持浴材料中将成品打印出来。视频中的透明'果冻'就是支持浴材料,主要起到辅助支撑作用。"
由于人体器官在身体内部多具有悬空结构,且生物墨水本身较为脆弱,与在空气中直接打印相比,在凝胶态的支持浴材料中打印更能保障打印结构稳定且不易坍塌。
凝胶态是一种特殊的固态形式,果冻、豆腐是日常生活中常见的凝胶态物质。水凝胶是凝胶态物质的一种,因含水量高、与细胞外环境十分相似而被广泛应用于生物制造领域。张诚介绍,支持浴材料通常采用具有良好屈服应力特性的水凝胶。3D打印针头扎入支持浴材料后,由于支持浴材料具有屈服应力特性,在打印针头划过时,材料会变为液态。等针头挤出生物墨水并离开打印位置后,支持浴材料又会重新变为凝胶态,从而将打印墨水材料牢牢"抓住",使打印结构保持稳定并保障打印结构精度。
研发新材料破解瓶颈问题
为什么浸入式生物3D打印技术很难打印分米级及以上的大器官?张诚解释,传统的支持浴材料不能在凝胶态和液态之间随意切换,难以在打印时向打印容器中按需添加支持浴材料。因此,打印前支持浴材料就要"一步到位",要打印的器官有多高,所需要的支持浴材料就要有多深。随之影响的是针头的长度:打印小器官,短针头即可;打印大器官,就需要长针头。这就像是书法,写簪花小楷时多用纤细秋毫之笔;写擘窠大字时则需用斗笔等。
问题随之而来:针头越长,将生物墨水挤出来所需的力就越大。而生物墨水又极其脆弱,针头越长,生物墨水中细胞被破坏的可能性就越大,一不小心就会"鸡飞蛋打"。事实也是如此。记者了解到,目前这项技术仅能打印功能特征尺寸在数百微米到数十毫米之间的组织和器官结构。
"如果能用小针头打印完一层后,再在上面倒入一层支持浴材料,再打印一层,如此实现逐层打印就好了。"论文共同通讯作者金翼飞提出了这样的设想。而要实现这个想法,关键在于研发出一种能够随心所欲进行状态转换的新型支持浴材料。
有材料学专家认为,研发新材料的一种方式就像炒菜不断调整油、盐、酱、醋的比例,找出口味最好的菜谱配方一样,需要不断调整组成材料的种类、比例,从而找出具备优质性能的新材料。当然,这种"炒菜"式研发过程是极其枯燥和漫长的。
经过无数次调整配比和不断重复试验,联合研究团队终于研发出一种刺激响应性支持浴材料。它能够在保持屈服应力特性的同时,随简单的温度变化实现状态转换。"温度低于4摄氏度时,该材料为液体;高于25摄氏度时则为凝胶态。"张诚告诉记者,打印制造时,只需将温度降低,把这种支持浴材料倾倒进打印容器中,随后升温使其变成凝胶态,让针头开始工作;待本层打印完成,倒入下一层低温支持浴材料,再升温继续打印。如此循环,再大的器官都能实现精准打印。
有了关键材料保驾护航,利用浸入式3D打印技术制造器官的瓶颈问题迎刃而解,MSEP策略应运而生。凭借"一策多用"的优势,联合研究团队利用小针头不仅构建了具有微米级特征尺寸的高精度角膜结构、具有毫米级特征尺寸的同质/异质眼球和主动脉瓣膜假体,还打印出具有分米级尺度的全尺寸人类心脏模型。该策略在构建多尺度人体组织和器官方面的潜力被充分验证。
最终目标是"形神兼备"
根据国家卫生健康委员会2018年发布的数据,全国每年急需器官移植的大约30万名患者中,仅有约1.6万人能够获得器官捐献。世界卫生组织统计数据发现,全球每年只有不到10%的器官移植需求能得到满足。
巨大的移植器官缺口让很多人将目光转向了动物器官移植。尽管当前已有临床应用案例,但动物器官移植依然面临费用高昂、具有物种间免疫屏障、存在病毒传播风险和社会伦理问题等重大挑战。而3D打印器官一旦发展成熟,上述问题便有望得到解决。
"MSEP策略显著提升了3D打印器官的打印效率和精度,扩大了可打印尺度范围,有望为人类解决移植器官严重短缺难题尽一份绵薄之力。未来,我们将朝着两个方向努力。短期内,我们希望进一步提高打印速度,并实现载细胞打印,为后续功能化器官打印奠定坚实基础。长期来看,我们将致力于提高打印器官的复杂性,并进一步提升3D打印组织器官与人体天然器官在结构和功能上的相似度。"金翼飞认为,"形似而神更似"一直是人造器官追求的最终目标。
事实上,生物3D打印技术发展至今,始终有几片"乌云"笼罩其上,限制了这项技术造福人类的进程。赵丹阳说,生物材料选择与适应性、打印精度与分辨率、打印效率与成本、组织血管化与生长、打印结构后续的功能化诱导等,均是目前整个生物3D打印领域面临的重要瓶颈。"我们能做的,就是瞄准其中一两个方向,尽己所能攻坚克难、奋楫笃行。"他说。