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3D 生物打印

体内修复受损组织和器官,不再是科幻电影里的想象

无创3D生物打印可用于修复受损的软骨。

Decode

发布于 6月15日

受伤后自我修复,是科幻作品里一个常见的设定。《终结者》的 T-1000 机器人,身体由液态金属构成,被摧毁后能自己恢复。

《X 战警》中,金刚狼的突变能力,让他可以在短短几秒内再生受损组织。

《超验骇客》的科学家威尔,利用纳米技术,修复了人体受伤的部分。

科幻作品所呈现,无需外科手术、在人体内进行自我修复,离现实依旧遥远。但借助科学手段,能一定程度实现体内组织重生。

《Science》子刊《Science Advances》近日刊发了一篇论文《Noninvasive in vivo 3D bioprinting》(无创体内 3D 生物打印)。论文实验结果表明,研究者成功实现了在体内 3D 打印器官。

事实上,3D 生物打印技术用于修复组织和器官,是临床医学的一个趋势,但通常需要进行外科手术。

要么,在体外完成 3D 打印后,手术植入体内。要么,先通过外科手术切开相应部位,然后在暴露的外伤中进行 3D 打印。

这些 3D 生物打印方式,难以满足特定临床应用。比如,对于皮肤下内伤,外科手术暴露的创伤,会损坏周围组织,从而引起继发性伤害。而对于整形外科,手术留下伤疤会影响美观。无创 3D 生物打印,正是这些问题的解法。

在上述论文中,研究者借助数字显微镜、近红外光线和“生物墨水”,在小鼠上成功实现体内 3D 打印类人耳朵。

首先,研究者会注射“生物墨水”进小鼠背部。这种“墨水”实际上是一种水凝胶颗粒和软骨细胞的组合。

接着,通过控制电脑把定制的耳朵形状模型,发送到数字显微镜设备(Digital Micromirror Device)。

(无创 3D 生物打印流程)
(无创 3D 生物打印流程)

然后,借助近红外光线,把数字显微镜设备的耳朵形状图案,投射到“生物墨水”上。墨水中包含了纳米引发剂,能引发光聚反应。水凝胶颗粒会粘连在一起,并且一层一层地发展出耳朵形状的结构。

一个月后,软骨细胞会围绕着水凝胶结构生长出来,最终会越来越像真人耳朵的软骨形状。在实验中,小鼠没有发生重大炎症或其他副作用。

研究结果验证了,在有机体内进行无创 3D 生物打印是可行的。

(图片 G 是用无创 3D 生物打印构建的耳朵)
(图片 G 是用无创 3D 生物打印构建的耳朵)

这种技术可被用于治疗小耳症。小耳症又称先天性耳道闭锁,表现为出生时耳朵比较小,且没有外耳道。

每个地区的小耳症流行率不同,按每 1 万个新生儿计算,最低的地区平均有 0.83 个患有小耳症,最高的地区(亚洲)有 17.4 个。

通常,治疗小耳症需要进行外科手术,把人工打造的外耳植入患者的耳朵部位。如上所述,外科手术可能会引起额外的损伤,需要用到无创体内 3D 生物打印技术。

研究人员表示,除了小耳症,这项技术还可能用于修复鼻子、手指、脚趾或肘部等受损的软骨。而对于髋关节和膝关节深部的软骨缺损,更难实现修复,因为所用到的近红外光,通常只能穿透约 2 厘米。

这项研究的长远目标,是希望用该技术来修复心脏或肺等其他受损器官。这比修复软骨要困难得多,因为心脏和肺部包含更多细胞类型,所处位置更深,并且在不断地缩放。

 

参考资料

Human-like ears 3D-printed inside mice as surgery-free spare parts

《Noninvasive in vivo 3D bioprinting》

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