生物3D打印在神经科学领域的最新进展

徐弢

一、生物3D打印是什么？

3D打印最基本的解释是常规的增材制造。我们团队对3D打印的研究则是颠覆它原有的对象，不再使用普通材料，而是利用生长因子等活性材料进行打印。即利用3D增材制造原理，以加工包括生物材料、生长因子和细胞等的活性材料为主要内容，以修复和重建人体组织和器官为目的的，跨学科跨领域的新型再生医学工程技术[1]。

二、生物3D打印技术的发展

以技术产生时间和材料生物学性能为依据，可将生物3D打印技术发展分为5个层次。第一层次：打印材料无生物相容性要求，包括医学模型和体外医疗器械，常见案例有外科手术设计的辅助模型、牙科手术导板等。第二层次：打印材料有生物相容性要求，但非可降解材料。产品植入人体后成为永久性植入物，包括金属和陶瓷等材料，常见案例有不降解假肢、假耳移植物等。第三层次：打印材料有生物相容性要求，而且能被降解，产品植入人体后可促进组织再生，重构组织的修复机制，常见案例有骨组织支架、皮肤组织支架等。第四层次：使用活细胞、蛋白及其他细胞外基质作为材料，打印体外仿生三维生物结构体，常见案例有细胞模型、类肝组织模型等。第五层次：这是最新发展出的，增加了时间维度的可打印自我组装材料的4D打印。

从工程学角度，前3个层次在20多年前就有，叫做快速成型技术，现在更多发展的是在应用层面的创新。第一层次的3D打印在个体化医疗模型及假肢制造，神经外科的颅内肿瘤、动脉瘤神经纤维束、脑室构建、狭颅症等，肝胆外科的全透明、可牵拉的肾肿瘤模型等领域都有应用。第二层次主要应用于个性化永久植入物制造，如大众熟悉的骨科模型。中国实现了首个金属永久植入物髋臼杯的3D打印，而且投入了临床使用。第三层次则主要应用于组织工程支架的仿生设计与制造，让材料逐步降解，给组织再生长提供空间。第四层次被称为“Bioprinting”，原来更多地被称为“快速成型”，现在把细胞加入活性打印材料，才称之为现代意义上的生物3D打印。第五层次为4D打印，即在生物3D打印的基础上增加了时间的维度。2016年美国麻省理工学院有团队率先打印了具有自组装特殊功能的材料，例如打印出来是一条直线，随着时间维度的发展其自我组装功能会使其成为一个立体形状。笔者认为，在某种程度上，细胞及组织的打印也是一种4D打印，因为细胞是存活的发展的，会进一步成长为组织，组织则进一步成长为器官。但目前在概念上，我们并不倾向于使用“4D打印”，因其发展尚不是很成熟。但不管最终定义为何，能够解决实际问题才是最重要的，在其基础上我们进行了一些打印细胞及细胞机器人的工作。

三、细胞3D打印是什么？

早期我们使用的喷墨打印技术可以将墨水加热气化，那含有细胞的血液也可以通过加热气化高速地喷出来且效率很高，从而组建起细胞三维结构。利用喷墨打印可以打出不同颜色的原理，我们也可以打印出不同的细胞，内皮细胞打印到管壁内层，平滑肌细胞打印到管壁外层。早期组织工程多采用手工办法，有了细胞打印之后我们可以用自动化的方式更精准更容易地实现人的仿生结构，这就是细胞打印的价值所在。

Bioprinting最初是个组合的新词汇，但随着细胞打印的发展，现在已被正式收录到了牛津词典中，且其定义中明确了细胞的作用。同样，维基百科对Bioprinting的解释中也包含有细胞的说明，可见细胞在生物3D打印中的重要性。

四、细胞3D打印的应用

生物3D打印的研究进展在实际应用领域也有所体现。笔者所在团队申请并获得授权的全球第一家细胞打印专利更是实现了无生命材料到有生命物质打印的飞跃。

现在的医学发展逐步走向精准时代，生物3D打印精度高、便携，可更精准地进行战伤创面的修复。笔者通过一系列对比试验证实，生物3D打印技术在战伤创面修复治疗中的效果是不错的。另外，我们利用毛囊干细胞进行打印实验，发现其确实能够实现毛囊再生。

生物3D打印可用于心脏结构模拟。通过心肌细胞和生物材料打印一些立体的组织，例如打印小动物的心脏，发现它可以有节奏地跳动。动物的心脏细胞能够保持它的功能，这一结果表明打印技术对细胞没有造成重大影响。对更大体容的肾脏进行打印也取得了不错的效果。

五、细胞3D打印在神经外科的发展与应用

在生物3D打印神经鞘管方面，我们利用制造学的优势，通过生物打印技术打印微孔多通道结构的神经导管并在早期进行神经生长因子灌注。植入3个月后发现，与未灌注神经生长因子的神经导管相比，灌注有神经生长因子的神经导管具有更好的促进组织再生的能力。

在干细胞治疗方面，生物3D打印技术可提升脑瘫细胞的治疗水平。现有干细胞移植治疗以直接注射为主，存在以下两种可能的局限。首先是注射后的干细胞因运动代谢等原因，导致有效干细胞不足。其次是干细胞在病变区域的微环境不理想。单纯的细胞研究是重要的，但更重要的是细胞与机制的结合，如果微环境不好，细胞的生存状况也就不理想。为解决这一问题，我们设计以格栅形状或微球形状进行打印，格栅形状可适用于大块体积纤维的修复，微球形状则可以保持细胞的集中注射。另外，我们在格栅里面灌注一些神经生长因子和造血因子，改善其微环境。实验结果可见，通过微球培养的细胞在十余天后，细胞在固定位置生长且状况良好。正常二维培养的细胞持续生长一段时间后会启动凋亡机制，进而细胞数量减少，但实验发现，在3D环境下培养的细胞并未出现凋亡，而是呈持续生长的状态。另外对脐带内皮细胞的培养发现，3D环境下培养的细胞不仅数量增加，其分化细胞的性能上也有所改善。

虽然干细胞的培养可通过添加神经因子得到改善，但毕竟因子缓释还是十分困难的。如何使得生物3D打印的成果更加仿生呢？我们采用了同轴打印＋纳米膜制造神经纤维束的方法。我们把神经干细胞做成像线一样的细胞线，线的中心是神经干细胞，周围环包着的则是神经的支撑细胞，这些细胞不断地产生着营养因子。同轴打印的方式，即在中心打印神经干细胞，在周边打印支撑细胞，最终以条索状的形式打印出来，然后将条索包裹起来。实验发现这种状态下纤维束细胞的存活率是相当高的，而且也在一定程度上释放出了神经生长因子。

以上主要是生物3D打印在再生领域的应用，其实生物3D打印在肿瘤模型研究方面也具有相当的优势。在胶质瘤模型打印方面，通过格栅形状的打印可以定量化地制作材料支架和细胞，其优势在于具有很强的通透性，营养物质可以非常容易地穿透进去。实验结果再次表明2D平板和3D环境培养下的细胞生长曲线是不一样的，2D环境下的细胞在第9天开始抑制凋亡，3D环境下的细胞则连续不断地在生长，说明3D培养的微环境是很适合它生长的。而且在细胞干性、基因水平和对药物的反应等方面，2D环境和3D环境下培养的细胞区别也十分明显。针对细胞活性我们进行干细胞层流性实验，将2种环境下生长的细胞收集起来进行对比，发现3D环境培养的细胞全面优于2D环境。另外，我们还对生物3D打印垂体瘤模型进行了研究，结果表明生物3D打印环境下的培养结果是优于2D环境的。

六、总结

工程技术如果不能被转化，那它就会失去生命力。我们团队将生物3D打印技术进行了很多转化，如医学模型的转化，建立神经多模态模型供医学工作者进行训练，包括全脑模型、首个神经内镜模型、经鼻碟入路模型[2-4]。目前已有2种模型投入临床，另外通过生物3D打印技术生产的适用于神经外科的产品也已经进入市场，都取得了良好的效果。未来生物3D打印技术发展的机会越来越多，只有更多地与医疗、临床和基础科学的结合，才能形成多赢的局面[5]。

[1] 李枫.让生物3D打印迈向普罗大众[J].中国工业评论,2015,(12):106-111.

[2] 林继业,文平,柯以铨,等.3D打印技术在颅底外科手术规划中的应用[J].中华神经医学杂志,2016,15(12):1240-1245.

[3] 兰青,陈爱林,张檀,等.通过3D打印技术制备颅脑实体模型[J].中华医学杂志,2016,96(30):2434-2437.

[4] 尹一恒,余新光,佟怀宇,等.3D打印技术在颅底凹陷合并寰枢椎脱位手术中的应用[J].中华医学杂志,2015,95(37):3004-3007.

[5] 徐弢.生物3D打印的产业化机遇[J].中国工业评论,2015,(5):46-53.