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生物打印将“印”出器官移植新篇章

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生物打印技术是利用三维打印技术解决医学问题,能在器官或组织发育过程中,在空间上精确地排列细胞、蛋白质、基因、药物和其他生物活性物质。这一技术是医学领域具有革命意义的重大突破,已经受到全世界科学家和普通大众的广泛关注。


生物打印技术:应用潜力巨大的医学革命


生物打印技术通过软件分层离散和数控成型的方法成型生物材料,其主要利用的技术包括三维生物喷墨、纤维挤压成型和激光辅助细胞打印。这一技术的出现预示着一场医学新革命或将来临,人类的医疗史将被改写。


该技术在医学领域具有广泛的应用前景。目前,已被用于制造个性化生物医药材料、药物检测和筛选、癌症或其他多种疾病研究等。而利用生物打印技术制造器官或组织更是开创了器官移植的新纪元,为人类健康带来了福音。利用生物打印技术制造生物器官的研究目前方兴未艾,但随着这一技术的发展,移植器官资源紧缺的问题将得到有效缓解,器官移植的成本也将大幅降低。此外,利用生物打印制造的器官进行移植可以有效减少机体排异反应的产生,可有效提高移植成功率。


目前,利用生物打印技术制造生物组织和器官的方法有两种,分别是制造具有血管的生物组织和器官的体外打印技术,以及用于直接在病变部位进行组织再生的体内打印技术。


体外生物打印:能造有血管的组织和器官


利用体外生物打印技术制造完整且具有生物活性的器官,虽然具有广泛的应用前景,但这一技术仍存在很多困难。很多生物学、生物打印技术、生物打印材料、生物打印后续成熟过程等多个方面均存在诸多技术限制。所以科学家首先把研究重点放到利用生物打印技术制造生物组织方面。


体外打印生物组织是非常尖端而又精密复杂的过程,需要对多层细胞进行分级排列,并在组织内生成血管网络系统。科学家利用体外生物打印技术已制造出多种生物组织,其中人工打印的气管、下颌和软骨组织已成功用于临床治疗。但在制造心脏、胰腺或者肝脏等具较高氧气消耗速率的组织时遇到了困难。


其最主要的问题是如何将上述器官血管脉络中的动脉、静脉与毛细血管整合起来。因为在亚微米程度上打印毛细血管非常困难。科学家通过首先打印大血管,再由大血管自然地产生毛细血管的方法实现了毛细血管的打印。另外,科学家也已成功打印出连接血管和相邻毛细血管的通道,完成了血管重塑。


生物打印材料和其打印后的成长过程,对于体外打印生物组织也至关重要。生物打印的材料能够影响生物组织的生化(如生长因子、粘合因子和信号蛋白)和物理学特征(如细胞外基质的机械强度和结构稳定性等),进而影响细胞生存、分裂和分化的环境。生物打印材料必须具有很高的机械强度和结构稳定性,并且不能在生物打印之后溶解;能使干细胞分化成组织特异的细胞系并避免器官移植后产生免疫反应。同时,生物墨水必须能快速固化成型,且价格低廉、材料丰富。目前,很多天然的或人工合成的生物墨水已经被用于打印制造生物组织。生物打印的后续过程中的机械和化学刺激对组织的生长和发育也有重要影响。


体内生物打印:在病变部位直接再生组织


体内生物打印主要利用生物喷墨打印技术,能在病变部位直接重新长出组织和器官,并能够整合到原有组织上。利用这一技术制作的皮肤细胞能够有效地治疗烧伤,并将在战场上和灾区救治伤员发挥巨大作用。


体内打印技术对于在病变的部位直接进行组织再生非常有效。这项技术在临床应用中有许多优点。首先,在病变部位直接打印生物组织不需要根据病变部位的几何性状提前制作塑形模具,进而可以减少污染并提高细胞活性。第二,在制造某些具有特殊功能的生物组织时,体内打印可在体内直接打印干细胞,随后可分化出人类所需要的细胞类型。第三,体内打印能够在体内缺陷部位精确地排列细胞、基因和其他生物活性物质,而不会发生变形。


同时体内打印技术可对组织进行进行精细控制,如在不同的细胞层打印不同的细胞因子。第四,体内打印技术能够在形状不规则的病变部位精确地制造组织和器官,直接进行组织再生。第五,体内打印技术利用自动打印机能够在体内不平整的的病变部位进行多角度的生物打印。


因为具有诸多优点,体内生物打印技术将被广泛应用于医学领域,但这仍然需要大量的探索和实践。


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