3D打印角膜来了未来有望无限量供应

国际金属加工网 2018年06月07日

突破

含有干细胞的生物墨水

我们都知道,当眼角膜不幸受损后,如果不能靠治疗修复,想要重新看清世界,只有换上新的眼角膜,而这一过程只能靠“等”。如今有了3D生物打印的助力,苦等的人们有了新的希望,换眼角膜的几率也会上升。英国纽卡斯尔大学遗传医学研究所的研究人员称,他们用3D生物打印机和“生物墨水”成功复制了人类的眼角膜。这项技术意味着,如果未来能实际使用,或许能让眼角膜实现无限供应。

这种生物墨水是由捐赠者眼角膜的干细胞(人类角膜基质细胞)、海藻酸盐和胶原蛋白混合制成的。研究人员利用3D生物打印机,将生物墨水按照同心圆的“路径”挤压成型,从而形成人体角膜的形状。据悉,等待人工眼角膜“新鲜出炉”的时间只有不到10分钟。

“我们独特的凝胶结合了海藻酸及胶原蛋白,能使干细胞保持活性。同时,‘材料’足够坚硬,能够保持它的形状,但又足够软,能够从3D打印机的喷嘴中被顺利‘挤’出来。”纽卡斯尔大学组织工程教授切·康诺表示,世界上许多团队一直都在寻找理想的生物墨水,为的就是让这一过程变得可行。

康诺说这次的成功基于之前的各种尝试,他们曾让细胞待在类似的水凝胶中,并让它在室温下存活了数周。而最新研制的含有干细胞的生物墨水,在能够打印组织的同时,省去了单独培育细胞的步骤。而且,研究表明,干细胞还可以继续发育。

研究人员称他们可以“订制”眼角膜,来满足患者眼睛的特别需求。打印组织的尺寸是从实际的眼角膜上获取的。通过扫描患者的眼睛,可以根据数据快速打印出大小、形状相匹配的眼角膜。

现状

全球角膜捐献严重短缺

角膜是眼睛的外部结构,“工作职能”包括聚焦光线和保护内眼,根据美国眼科学会的资料,角膜是由细胞层构成的,这些细胞层保护我们的眼睛,同时提供清晰的视觉。角膜必须保持清晰、光滑、健康,才能有良好的视力。如果有疤痕、肿胀或者受损,光线就不能正确地聚焦到眼睛里,就会导致视力模糊或引起眩光。

当角膜不能被治愈或修复时,就只剩下角膜移植一种方法了。通常,捐赠者都是在去世后将自己的角膜捐献或赠与给需要的人,好在这一移植不存在器官移植可能面临的适应性问题,也就是说,眼角膜移植不需要等待“匹配”的捐献者。不过,和器官捐献面临的相同困境是,眼角膜也处于“供不应求”的状态。健康眼角膜的捐献者并不多,而需求确实居高不下。目前,世界范围内有1500万人在等待手术,这些人患有可能导致眼角膜受损甚至失明的沙眼等传染性眼病。另有500万人因烧伤、撕裂伤、擦伤或其他疾病引起的角膜瘢痕而完全失明。

2016年的一项研究提到,全球每70个角膜患者中,只有1人可以得到角膜移植,这足以说明全球可供移植角膜数量的严重短缺。而3D打印眼角膜这一技术能够增加“货源”,借助每位捐献者的干细胞“生产”出多个角膜,如果付诸实施,就有希望减少眼角膜的“供货赤字”。而研究人员现在需要做的,就是确保这种打印眼角膜的“品质”——包括不会造成人体排斥,能够正确聚焦光线等。康诺称,为了能更有把握,距离移植的那一天可能还要再等待几年,不过这项研究向大家展示了打印眼角膜的可行性,并且是解决角膜全球短缺的好方法。

链接

3D打印身体组织器官

除了眼角膜,3D打印还在其他身体部位找到了“一席之地”。3D打印技术最初是应用于模具制造、工业设计等领域,之后逐渐用于一些产品的直接制造。2017年8月,世界首台3D人体打印机问世,它模拟身体组织和器官,使用生物墨水,让3D打印的器官与人体更加融合,可以打印鼻子、嘴巴等各类可移植器官。

软骨 有望能治疗关节炎

2017年4月,瑞典哥德堡市萨尔格学院的研究团队通过使用3D生物打印机打印干细胞,成功地制造了软骨组织,另外,研究小组还能影响细胞复制、分化,形成用于打印结构的软骨细胞。该研究刊登在了《自然》(Nature)推出的期刊《科学报告》(Scientific Reports )上。

该研究是瑞典哥德堡市萨尔格学院与查尔姆斯理工大学的一组研究人员合作进行的,研究小组从接受过膝盖手术的患者身上提取了软骨细胞,在实验室中让这些细胞恢复活力,恢复成多能性干细胞——有潜力发展成许多不同种类的细胞。之后干细胞被封装在纳米纤化纤维素(nanofibrillated cellulose)的合成物中,并通过3D生物打印机打印成一个结构。“印刷”后,干细胞在生长因子的引导下正确分化,从而形成软骨组织。

在自然界中,干细胞分化成为软骨是一个简单的过程,但是在试管中完成就要复杂得多。研究团队的大部分工作都是寻找能让细胞在打印、复制、分化成软骨的过程中存活下来。该研究小组负责人,细胞生物学教授斯蒂娜·西蒙森说,他们在没有任何动物实验的基础下做到了这一点,也是第一个成功的。

3D生物打印出的软骨与人类软骨极为相似,据有经验的外科医生检查,这种人造软骨和真正的软骨没有什么区别,而材料的性质与他们患者的天然软骨相似。就像普通软骨一样,实验室培养的材料含有II型胶原蛋白,在显微镜下,细胞看上去很完美,结构也类似于人类软骨样本。

如果不久的将来能够靠利用患者自己“备份”的干细胞来生产软骨,那么将有助于修复软骨损伤或者治疗骨关节炎,为众多骨关节炎患者带来福音。

肾脏 测试药性协助透析

2016年,科学家通过3D打印技术造出了一种微小、复杂的管子,和真正肾脏的关键部分很相似。虽然在制造人工肾脏代替器官前还有很远的道路,但这是研究人员首次使用3D打印技术制造出如同真品一样的肾脏组织。这一3D打印的肾脏组织是由哈佛大学詹妮弗·路易斯实验室完成的。该团队开发了一种生物打印组织的新方法,使研究人员能够打印出不同类型人体组织的复杂结构以及维持这种组织存活所必需的血管系统。这种“打印”方法使用了多种凝胶状的“墨水”,打印之后,研究人员移除其中一种墨水,留下中空的管子,之后加入细胞,而这些细胞会发育成组织。

实验测试表明,这种工程化组织显示出真正的肾脏功能,尤其是能够制造出近端肾小管,即肾脏基本功能单位——肾元的一个组成单位。肾元负责过滤血液,将有用的东西保存在身体里,排出废物。如果能够制造出肾元,理论上就能“制作”肾脏了,不过考虑到还要开发其中互相连接的部分,这一工程还要很多年才能实现。

材料科学家詹妮弗·路易斯说,尽管如此,打印出来的组织还是有医学价值的,首先,这样的组织可以用来测试潜在的药物;另外,人造组织也可以在体外的设备中使用,协助肾脏透析,当然,开发这样的设备也还需要几年的时间。

 


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