川大团队实现体内无创生物3D打印,医美手术或将不再“挨刀”

时间:2020-06-23 21:40       来源: 学术头条
川大团队实现体内无创生物3D打印,医美手术或将不再“挨刀”
 
  近年, 中国医美市场呈现出快速增长的趋势。而无创的轻医美更容易被中国女士所接受,成为很多爱美女士的选择,2018 年中国医美市场规模中,无创的轻医美占比达到 71%,较 2014 年增长了 6%。
 
  很多女士抗拒手术类医美的原因包括怕疼,担心安全性及创伤疤痕等。但手术类的隆鼻等面部整形,又可以极大的提升面部美容的体验。是否可以将此类开刀的手术变为无创手术呢?
 
  近日,四川大学的苟马玲研究员、钱志勇教授和魏霞蔚教授团队在 Science 子刊 Science Advances 发表了一篇题为 Noninvasive in vivo 3D bioprinting 论文。利用近红外光作为光源,结合 DMD 3D 打印技术,实现了体内无创生物3D打印
 
  具体而言,研究人员将一种由水凝胶颗粒和软骨细胞制成的“生物墨水”注射到小鼠背部,并使用近红外光(能渗透入皮肤 2 厘米)照射使水凝胶交联,并逐层形成人耳状结构。其中的软骨细胞在接下来的一个月中,能依附在这一结构上生长,形成真正的人耳软骨结构。而在此期间,小鼠并未出现炎症等副作用。这一研究为小耳症等引起的人耳缺损以及鼻子、手指和脚趾中的软骨修复提供可能。
 
  什么是生物 3D 打印?
 
  生物 3D 打印技术一般是指将生物单元(细胞/蛋白质/DNA 等)和生物材料按仿生形态学, 生物结构或生物体功能,细胞特定微环境等要求用“三维打印 ”的技术手段制造出具有个性化的体外三维结构模型或三维生物功能结构体。
 
  传统生物 3D 打印技术与手术室的配合多为先打印出组织或器官结构后,再手术植入。这难免造成较大的创口,与某些疾病局部微创手术的方式相矛盾。所以,与微创手术相结合的原位生物 3D 打印技术也成为近年生物 3D 打印研究的爆点。
 
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未来医院术中生物3D打印制造人工器官(图片来源:上普生物)
 
  如何实现原位生物 3D 打印
 
  生物 3D 打印目前 3 个主要经典打印原理为,1. 喷墨式细胞打印技术,2. 微挤出式三维打印技术,3. 立体光刻细胞三维打印技术。根据这三种打印的原理特点,我们将其可能的原位打印方法总结如下表,
 
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主流原理的细胞三维打印方法对比
 
  近红外光生物 3D 打印技术
 
  传统的立体光刻细胞三维打印技术,多采用紫外光(UV, 波长<400nm)和蓝光(波长400-450nm)固化为主,此类光波长短,可照射深度浅,难以实现透皮光照与固化。而近红外光(波长 780-2500nm)可穿透组织 10-20mm,已被应用在体内药物缓释,光动力治疗,体内成像等领域。
 
  虽然近红外光进行无创生物 3D 打印的原理可以联想的到,但一直未见有研究者能真正实现。而 Noninvasive in vivo 3D bioprinting 论文的作者们,则率先实现了这一技术。
 
  传统的光引发剂多为紫外光下使用居多,很少见生物友好的可在红外光波长下使用的光引发剂,为解决这个难题,研究者首先开发了一个由 LAP 包裹纳米催化剂的新型光引发剂,该引发剂在近红外光下使用(如图 4)。
 
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基于DMD光固化方式的体内无创生物3D打印原理图
 
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图4:在近红外光下使用的光引发剂UCNP@LAP
 
  研究者进一步在鼠皮和 0.5mm 厚猪肉组织遮挡的情况下打印了几种复杂结构(图 5),验证了此种打印技术的体内 3D 打印潜能及较高的成形精度(百微米级),并进一步针对小耳畸形病进行了类耳的打印(图 6),其简要的打印步骤为:
 
  1. 向皮下注射含有软骨细胞的生物墨水;
 
  2. 通过近红外光 DMD 生物 3D 打印机,将耳朵图案照射注射区域;
 
  3. 注射清洗液并吸出残余的清洗液和墨水。
 
  该含有软骨细胞的类耳结构可以在体内存活打一个月,并分泌出耳朵所具有的二型胶原蛋白。未来有潜力应用在组织修复和再生领域。
 
  该种无创 3D 打印技术还可以应用在闭合性损伤的治疗中,闭合性损伤如果采用开腔手术,会造成二次损伤,该种技术可无创的注射生物墨水,再通过近红外光照实现闭合性损伤的修复。研究结果表明该种技术修复的闭合性损伤组织 10 天后的疗效明显优于对照组(图 7)。
 
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图5 :体外验证此技术的穿透打印能力
 
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图6:体内打印类耳结构
 
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图7:闭合性损伤修复
 
  广阔的未来与挑战
 
  原位无创生物 3D 打印技术的成功研发,未来可医用在医美整形,微创手术等众多领域中。
 
  作者选取的小儿畸形案例也是一个非常好的应用场景,小耳畸形很多患者都是出生即存在的,而人耳的大小在生长发育过程中会不断长大,目前一次性手术并不能完全解决小耳畸形问题,其余明显的外戴假耳会给儿童的心理造成极大的压力。
 
  虽然基于本研究技术的耳朵再生后续并随着年龄长大的美好想法,难以在短时间内真正实现。但仅用合适的生物材料,在小耳畸形的儿童患者成长过程中,不断用这种无创手术来给患者带来可体积变化的假耳,也可造福千万家庭。
 
川大团队实现体内无创生物3D打印,医美手术或将不再“挨刀”
 
  虽然本研究成果惊艳,也为此领域的研究做了很好的开篇之作。但未来近红外生物 3D 打印技术的研究过程中还会充满挑战,可想象的挑战就包括:
 
  1. 多层复杂结构的制造:传统 3D 打印通过层层堆积来实现,而层层的控制自然涉及到材料的不断补充,若通过打印一层再注射一层材料的方式来实现,效率低且精度低。但 2019 年 Science 主刊发表了类似 CT 原理的轴向立体光刻技术,也许能与此文方法相结合实现内部的直接打印,不再层层堆积实现。
 
  2. 近红外光的透射深度很深,自然而然也会带来在光固化成形时其会跨层透射,即照射新的一层时,光可能透射到之前已成形的层中,给打印精度带来挑战。但通过该研究图示的几个结构高达百微米打印精度来看,该精度挑战未来还是有望克服的。
 
  总之,基于近红外光的 DMD 光固化无创生物 3D 打印技术再一次拓展了生物 3D 打印的应用边界,相信一些复杂的外科手术的无创修复替代在不久的将来也会实现,让爱美的你可以不再“挨刀”。
 
  参考文献:Science Advances 03 Jun 2020: Vol. 6, no. 23, eaba7406, DOI: 10.1126/sciadv.aba7406
 
  作者:
 
  赵雨博士,上普(北京)生物科技有限公司总经理。
 
  毕业于清华大学,师从全球生物3D打印领域知名学者孙伟教授,其本人具有10余年生物3D打印研究和产业化经验。
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