开启了新的进步之门，3D打印再生医学的研究进展

| 3DScienceValley · 2023/04/06

虽然再生医学为器官衰竭提供了一个充满希望的未来，但仍然存在重大障碍。总部位于芝加哥的生物材料平台公司 Dimension Inx获得了FDA 批准第一个3D打印再生骨移植产品，Dimension Inx 开发了一个设计、开发和制造治疗产品的生物材料平台，用这个平台来设计和开发用于克服器官衰竭和恢复生命的治疗产品，指导细胞行为并允许身体更有效地恢复组织和器官功能，通过利用Dimension Inx 的平台创建 3D 微环境来应对再生医学的挑战，这些微环境可以被植入以影响细胞以特定方式发挥作用。这也为3D打印在再生医学领域的应用，开启了新的进步之门。

3D打印生物材料开发
© Dimension Inx

加速发展的再生医学

根据百度百科，再生医学（regenerative medicine）的概念广义上讲，再生医学原先指体内组织再生的理论、技术和外科操作，也可以认为是一门研究如何促进创伤与组织器官缺损生理性修复，以及如何进行组织器官再生与功能重建的学科，可以理解为通过研究机体的正常组织特征与功能、创伤修复与再生机制及干细胞分化机理，寻找有效的生物治疗方法，促进机体自我修复与再生，或构建新的组织与器官以维持、修复、再生或改善损伤组织和器官功能。狭义上讲是应用生命科学、材料科学、临床医学、计算机科学和工程学等学科的原理和方法，研究和开发用于替代、修复、重建或再生人体各种组织器官的理论和技术的新型学科和前沿交叉领域。

在过去的几十年里，生物3D打印技术发展迅速，在组织工程和生物医学等各个领域都受到了极大的关注。相对于传统生物支架制造方法在功能性及结构方面受到的限制，3D打印可以更好地模拟生物组织复杂的结构，并且具有合适的力学、流变学和生物学特性。生物墨水是3D打印中必不可少的一部分，通过生物材料制备的生物墨水，经打印后产生的生物支架在组织修复和再生医学等方面有着巨大的科研潜力及临床意义。我国在这一领域的研究以清华大学、西安交大等高校、研究机构为代表，产业以迈普医学等国内团队为代表，几乎与国际上同期开展研究和产业化开发，某些局部领域取得了一批重要的成果，临床上也得到初步应用。

商业化方面，在业界普遍将3D打印的应用局限在医用模型、手术导板方面的时候，迈普医学已经在商业化的3D打印硬脑（脊）膜-睿膜®。除了商业化的应用产品，迈普拥有自主研发的生物3D打印机，突破性地开发出中国首个进入全球高端市场的再生型植入类医疗器械产品——睿膜®/ReDura®。该产品具有全球独立知识产权及显著的技术优势，获得欧盟CE认证、中国CFDA以及印度注册证等。

研究领域不断获得突破

研究方面，2017年，《生物材料》（Biomaterials）刊登了华中科技大学先进生物材料与组织工程研究中心张胜民教授团队利用3D打印专用生物材料成功再生修复关节软骨/骨综合缺损的研究进展。

该项成果突显了三大亮点：一是采用具有完全独立自主知识产权的3D打印专用生物材料；二是利用3D打印技术构建出关节软骨/骨组织的复杂仿生结构支架；三是仿生支架在无需预置任何活细胞和生长因子条件下，实现了关节软骨/骨综合缺损的再生修复。特别是第三点，无活细胞和生长因子产品更易于被FDA、CFDA注册批准，从而为实现该项技术的快速转化奠定了基础。

该研究挑战了关节软骨和软骨下骨综合缺损再生修复这项世界性难题，通过采用具有完全独立自主知识产权的3D打印梯度微球专用生物材料与选择性激光3D烧结技术相结合，构建出以连续梯度微球为“建筑单元”的多层仿生关节软骨/软骨下骨缺损支架，完成体内外生物安全性评价，然后植入选定动物模型进行研究，最后实现了关节综合缺损部位的高质量再生修复，并显示出重要的临床转化前景。

2023年2月，根据《科技日报》，美国莱斯大学研究人员使用自组装多肽墨水，通过3D打印制造出精细的结构。这一成果有望推动再生医学和医学研究总体上产生巨大飞跃。水凝胶3D打印这类柔软材料很难在三维空间中高保真地制作图案，多结构域肽是一类在低浓度下形成纳米纤维凝胶的自组装多肽。此前，多结构域肽可以安全地植入体内，已被用于神经再生、癌症治疗和伤口愈合，并被证明当植入活生物体时，可促进高水平的细胞渗透和组织发育。研究人员发现，多结构域肽以独特的多肽为基础，仅依靠超分子机制进行组装，是一种理想的3D打印墨水候选者。在此项研究中，新设计开发的多结构域肽一面疏水，另一面亲水。当放入水中时，其中一个分子会翻转到另一个分子之上，形成所谓的疏水“三明治”。这些“三明治”相互堆叠并形成长纤维，随后形成凝胶。研究人员首次使用自组装肽系统打印出具有突出部分和内部孔隙的层状3D结构。此外，打印的多结构域肽可证明体外细胞行为的电荷依赖差异。最终目标是打印出含有细胞的结构，并在培养皿中培育出成熟的组织。然后，这些组织可以被移植来治疗损伤，或者用于了解疾病是如何起作用的，以及测试候选药物。

2023年4月，《皮革科学与工程》发表了四川大学华西口腔医学院和四川大学轻工科学与工程学院的一篇论文《3D打印胶原基材料及其在口腔组织再生修复中的应用》。根据论文，口腔颌面部软硬组织损伤会对患者的外貌及功能产生极大的影响，虽然当前临床已经有许多用于修复口腔以及颅颌面损伤的治疗方法，但实现原有组织复杂的解剖和生理功能的恢复仍然是一项巨大的挑战。论文综述了胶原蛋白的3D打印技术以及胶原蛋白的来源和提取方法，讨论载细胞与无细胞的3D打印，并阐述了3D打印的胶原基材料在口腔组织再生修复中的应用。根据论文，基于胶原蛋白的生物墨水已经被广泛研究用于3D打印来修复不同部位的组织缺损，然而较高的成本、胶原蛋白本身的性能特点、打印精度不足等也限制着3D打印基于胶原蛋白材料在再生医学中的进一步应用。论文的3D打印胶原基材料为口腔及颅颌面组织缺损的治疗提供了一个新的思路，今后对生物墨水和打印技术的不断改进创新也有望将其进一步推向临床应用，从而解决临床应用中的实际问题。

l 参考来源：
《肽基3D打印墨水推动再生医学进步》/ 《科技日报》
《3D打印胶原基材料及其在口腔组织再生修复中的应用》/《皮革科学与工程》

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