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中国学者革新 3D 生物打印,支架孔径达到细胞水平!超精准“雕琢”生物材料
今日推荐:2020年08月02日 李贤焕 DeepTech深科技


自 2003 年美国克莱姆森大学团队首次实现了活细胞打印,将 3D 生物打印研究推到前台,科学家已经对该技术的应用前景进行了大胆展望,其中最具野心的预测,就是未来人体器官可以像汽车零配件一样,磨损了可修复,损坏了可替换。

 

3D 生物打印,正是提供这些人体“配件”的加工方式。它借助 3D 生物打印机,制造出细胞支架,再将细胞种入支架中,使细胞得以生长,并根据需要长成组织或器官。

 

但现实往往很“骨感”。在实际操作中,现有的生物墨水通常难以快速打印出孔隙大小合适的细胞支架,这直接关系到附着其上的细胞,能否长成适合人体的“配件”。

 

如今,一位中国学者领导的团队从材料角度出发,提出了全新的生物打印方式,结合材料的相变特性,制备出高度联通且具有细胞大小孔径的多孔水凝胶,突破了这一难题。该成果论文目前已被英国皇家化学学会接收,将在 Materials Horizons 杂志上发表。



论文共同通讯作者为加拿大麦吉尔大学李剑宇教授和 Luc Mongeau 教授,第一作者为麦吉尔大学机械工程专业博士生鲍光宇。其中,李剑宇曾在 2019 年入选《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区榜单。他向 DeepTech 详细解读了这项最新成果,以及他另一项可能应用更广阔的研究——最聪明的生物材料。

 

给细胞打印宜居的“家”


一直以来,3D 生物打印的一大难点,在于如何为细胞提供合适的生存环境、三维物理支撑。

 

具体来说,制备生物支架对其中的孔隙大小要求非常高。一般的细胞直径约为 10 微米,如果支架的孔径是上百微米,那细胞在支架上面,就和在平面上一样,无法贴合生长。

 

另一方面,组织工程一般会采用水凝胶材料作为生物墨水,而水凝胶的孔隙又特别小。材料中的高分子链纠缠在一起,会形成非常多的孔隙,就像海绵一样,只不过水凝胶的孔隙尺寸一般在 10~100 纳米之间。



如果把细胞放到水凝胶材料当中,直径 10 微米左右的细胞,就会把支架填充成一个非常致密的材料。在这种拥挤的情况下,细胞的生长很多时候都会被束缚,更谈不上实现细胞功能。

 

“所以我们希望给细胞构建出一个三维的立体空间,且孔隙的量级和细胞的尺寸相当,即为 10 微米的量级。”李剑宇说。

 

他们从材料本身的基础性质的角度提出,利用材料的相变实现材料的孔隙。

 

根据论文介绍,李剑宇团队提出了提出了名为响应微孔成型生物打印方法(Triggered Micropore-Forming bioprinting,简称 TMF),用水凝胶刺激响应的微分相行为实现此类生物支架的快速制造。为此他们制备出一种由负载细胞的壳聚糖(chitosan)和聚乙二醇(PEG)微酸性水溶液组成的生物墨水。


其特点在于,在很小的范围内对材料的 pH 值进行调整,材料会自行分相,形成 10 微米级别的孔隙,从而形成了具有细胞支撑的结构。同时在 pH 值调整范围内,均不会对细胞的生长产生影响。


图 | 使用TMF方法打印生物支架流程 


相比之下,传统制备的水凝胶材料的孔隙特别小,仅有 10-100 纳米,这会阻碍细胞的生长,更不要说实现细胞的功能。李剑宇表示,这个研究的新意在于,团队利用材料的基本性质,制成了特殊的生物墨水,将其结合到 3D 打印里,就能解决传统 3D 打印方法难以解决的问题。

 
另一方面,这种制备方式能在较短时间内打出大块的纤维材料,同时保证材料内部具有细胞支撑的结构,大大提升了制备效率。
 
实验表明,该生物墨水在经过 3D 打印后,形成了细胞大小的孔隙,且孔隙间高度联通。该生物墨水系统具有良好的细胞兼容性,且在支架中保持较高的细胞存活率。

李剑宇表示,除了实现材料的孔隙,他们还能够在不影响材料硬度、孔隙率等特性的同时,对材料的机械性质进行灵活调控,比如细胞的粘弹性。
 
据介绍,材料的粘弹性在生物材料的实际应用中有着重要的作用。粘弹性即聚合物在不同条件下表现出固体和液体的性质,像固体一样有相对固定的形态,但质地如液体般柔软。相比传统 3D 打印生产出来的纯弹性体系,粘弹性的体系更加利于细胞的生长和迁移。
 
哈佛大学生物工程教授 David J. Mooney,是李剑宇在博后阶段的导师。Mooney 此前的研究表明,通过调控材料的粘弹性,就能对细胞的功能和行为进行很好的控制。包括控制干细胞的分化和控制细胞的增殖。
 
最后,为了证明该打印墨水在生物工程上的应用效果,李剑宇团队利用其打印了由人声带成纤维细胞和人气管上皮细胞组成的复合声带结构,结果证明相比于传统材料,具有多孔结构的新材料能够大幅提高支架内成纤维细胞的生长和扩散。水凝胶构建体的结构完整性也得以保持。
 
打造最聪明的生物材料
 
这项生物打印领域的新研究,其实只是李剑宇团队的一个跨界研究成果。
 
长期以来,他的主要研究方向是软性生物材料。他希望未来的生物医学材料,不但能够取代手术缝合线来修复伤口,而且能像修复牙齿一样,安全高效地修复关节软骨和椎间盘等各类软组织。要实现这一目标,未来势必要使用到生物打印技术。
 
现阶段,硬质生物材料已经在医疗领域被广泛使用,比如用钛合金和陶瓷材料修改牙齿和骨骼的技术已经非常成熟;但在软组织医学方面,现有的生物材料还远远无法满足临床应用的需要,比如用于创伤止血、伤口愈合、关节软骨和椎间盘修复等等。
 
其中的关键原因在于,以往的软质生物材料的机械性能远低于生物组织,比如难以形成有效可靠的组织粘附。


随着全球人口老龄化的加剧及各种医疗挑战的出现,让生物材料的重要性日益凸显。
 
李剑宇及其团队采用包括材料、力学、化学、仿生和生物工程在内的多学科交叉的方法,开发了多种新型生物材料,例如,用高强度生物胶水替代手术缝合线闭合伤口,将高性能仿生植入材料用于关节软骨和椎间盘修复,以及可以控制大出血的新型止血材料。
 
这些新材料的性能远超既有的材料,它们的组织粘附性能可以提升 100 倍以上,同时具有出色的⽣物相容性,还能实现药物控释、细胞递送等功能。
 
在伤口修复方面,目前使用的基本都是“惰性”材料,为伤口提供基本的保护,但没法促进伤口愈合。而李剑宇团队开发的新型生物材料是一种具有生物力学活性的物质,让材料更加聪明(Smart),它不仅能够保护伤口,同时还能对组织施加一定的外力,来促进伤口的愈合。
 
将生物材料用于软骨和椎间盘修复,是李剑宇课题组的另一大研究方向。
 
对于关节和椎间盘软组织损伤,目前的治疗方案通常会采用金属、塑料等硬质材料植入体内,用以修复或代替受损软组织。
 
人在衰老过程中,关节、椎间盘等软组织易出现问题。目前的治疗方案通常会采用金属、塑料等硬质材料植入体内,用以修复或代替受损软组织。
 
但问题在于,这些硬质材料的生物力学性质和含水量与人类软组织相去甚远,长期使用会有较大的生物相容性问题,甚至会造成临近软组织的病变。这正是目前软组织医学所遇到的困境之一。
 
李剑宇研制的新型生物材料,正在突破这一问题。这些新材料“像果冻一样”,其含水量和人体组织相当,同时在机械性质上也能做到和人体组织差不多,甚至优于人本身的组织。
 
有了聪明的生物材料,李剑宇还有更大的野心,他想让生物打印机参与到临床的手术操作中。
 
当下,借助生物打印生产生物材料,然后将其植入人体内,用以修复或取代受损组织,已经有了一些应用。李剑宇觉得这远远不够,他希望,未来进行组织修复治疗时,能够直接使用一台像机械臂一样的生物打印机,直接在椎间盘或是软骨上进行修复。
 
由于多数创口都是不规则的,所以机械臂需要在上面根据具体的情况实时进行 3D 打印,填充非均质的生物材料。
 
这里就涉及生物打印的另一大优势。以往科学家只能通过化学合成的方式来制备生物材料,得到的材料往往是一个均一的体系;但生物打印能够实现非均质的三维结构,从而实现材料在每个方向、位置的粘弹性可能都不一样。
 
李剑宇表示,这已经是大势所趋,目前这个机械臂生物打印机也已经被他纳入到研究项目当中。
 
寻找科研的“现实”意义

李剑宇在浙江大学读本科时,专业是材料与工程。后来到哈佛大学攻读博士,研究方向更加侧重材料力学。再到博士后阶段,李剑宇的研究方向则进入到了生物材料和生物工程领域。

图 | 李剑宇
 
其个人的独特求学过程,让他拥有一个跨学科交叉的背景。而在研究工作中,这一背景也让他能以一种非传统的角度和方法开发新材料,比如从仿生的理念出发,研究生物组织本身的性质,再结合多学科交叉的方式打造新的材料,重塑生物组织本身的性质,满足实际生物医疗需求。
 
在李剑宇看来,从开始博士生涯到如今的 10 年时间,他的研究工作从最早的基础研究,到如今正一步一步接近最终的实际应用。
 
10 年前,李剑宇自己都认为其所聚焦的研究,仅仅是一项传统的科研工作,而随着后来的论文产出、成功申请专利等进展,让李剑宇逐渐看到了将这项技术直接用于患者治疗的巨大潜力。
 
在博士后期间,李剑宇开始和更多的医生、医院展开合作,那也是他接触现实问题的开端。
 
李剑宇介绍,当时有一个病例,因为患者血液中糖分过高,导致四肢修复能力较差,创口难以愈合。当时他们在生物材料的相关研究,刚好可以为患者治疗提供新的思路。这些实际的临床病例,让李剑宇清晰认识到,科研工作也可以在实际医疗中表现出真实的意义。
 
目前,李剑宇团队专注于这些新型生物材料的优化和临床前测试,下一个里程碑目标是将该材料技术推向临床转化和商业应用。他最后告诉 DeepTech,对于一个前沿的科研领域来说,找到合适的应用场景,将研究成果、技术转化成最终的应用,对整个学科的持续发展至关重要。
 
-End-

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