3D生物打印在角膜中的研究进展

[摘要]"3D生物打印是一项新兴技术，类似于3D打印，通常将活细胞、活性生物生长因子及生物材料等结合到一起，制造出可不同程度地模仿天然组织特征的生物医学部件。3D生物打印常采用逐层堆积的方法，将称为生物墨水的材料逐层打印，在计算机的辅助控制下制造出具备生物活性的组织和器官的替代物，然后再将其应用到医学和组织工程等领域。在眼科相关领域，3Ｄ生物打印可用于构建眼部屈光介质，如人工角膜，因其在各方面的性能均类似于人类天然的角膜组织，因此，3D生物打印有望缓解中国目前角膜供体短缺的问题。本文旨在探讨3D生物打印技术在角膜研究中的现状，分析其发展动态及应用前景，以期加深眼科领域对此技术的认知，进而推动其更快的开发和应用。

[关键词]"3D生物打印；角膜；人工角膜；水凝胶

[中图分类号]"R779.6""""""[文献标识码]"A""""""[DOI]"10.3969/j.issn.1673-9701.2024.36.027

3D打印技术又称增材制造技术，它通过计算机辅助将各种材料（如塑料、金属等）一层层打印出来并叠加到一起，从而制造出3D物体[1]。3D生物打印是将各种活细胞、生物材料和生物分子等在空间上进行精确地排列组合，使之形成具有生物特性和生物相容性及各功能均相似甚至更优的替代物[2]。3D生物打印技术近年来得到快速发展，目前已广泛用于多种活组织的生成、移植和器官的构建，包括皮肤、骨骼、血管、气管、心脏支架、软骨、角膜等。角膜是眼球最外层的透明结构，具有高折光作用，对眼睛的屈光功能至关重要。虽然角膜无血管，但含有丰富的感觉神经末梢，其损伤严重时可能引发角膜溃疡或穿孔，甚至失明。角膜移植是目前治疗失明的最有效方法，但捐献角膜严重不足，因此大量研究转向人工角膜。3D生物打印技术的兴起为角膜病的治疗提供新方向。本文总结3D生物打印技术及角膜相关进展，旨在为临床治疗提供参考。

1""3D生物打印在眼科的发展与应用

近年来，角膜3D生物打印领域取得重大进展。2019年Zhang等[3]报道一种基于3D生物打印的集成角膜替代物制造策略，证明定制化设计和制造多层中空结构的可行性。2020年Kutlehria等[4]重点研究角膜基质等效物的高通量3D生物打印，以满足对体外模型的需求。2022年Aghamirsalim等[5]讨论在角膜组织工程中使用水凝胶作为生物墨水的问题，强调角膜移植对治疗失明的重要性。Mörö等[6]开发一种基于透明质酸的生物墨水，用于角膜等效物的3D生物打印，通过将3D生物打印的基质结构植入猪角膜来探索组织整合。2023年Jia等[7]探讨使用3D打印技术的生物合成角膜模型在再生医学方面的潜力。Xue等[8]讨论使用3D生物打印作为角膜缘上皮干细胞缺乏症的治疗策略，强调当前治疗方法的进展和局限性。Gingras等[9]评估使用低成本设备制造3D生物打印无细胞角膜移植物的可制造性，使研究人员和临床医生更容易获得3D打印结构。Balters等[10]回顾角膜模型常用的3D生物打印技术和生物材料，强调3D生物打印在功能性角膜重建方面的潜力。Puistola等[11]提出一种基于人类干细胞的多材料3D生物打印异质角膜基质的新策略，进一步推动该领域的发展。这些进展为再生医学和角膜缺陷治疗带来希望，也表明人们对3D生物打印角膜技术的关注。

2""用于角膜3D生物打印的材料

3D生物打印技术的研究重点是开发材料，主要包括天然生物墨水：如胶原蛋白、明胶、纤维蛋白，具有优良的生物相容性和促进细胞生长的特性；合成生物墨水：如聚乳酸、聚乙烯醇，具有特定的机械性能和生物降解性；水凝胶：如改性明胶水凝胶、聚乙烯醇水凝胶，常用于构建细胞支架和模拟细胞微环境；复合材料：如胶原蛋白与聚乳酸的复合物，具备生物相容性和良好的机械性能。生物材料：如生长因子、抗体，可增强细胞生长、分化和组织再生；细胞载体材料：承载活细胞，确保细胞在打印过程中存活并在体内正常发挥作用，目前这些材料已应用于组织工程、器官再生和个性化医疗。

在角膜组织工程方面，Mahdavi等[12]利用甲基丙烯酰化明胶与角膜基质细胞混合作为3D生物打印的生物墨水，展示出这种方法在角膜基质组织再生方面的前景。Aghamirsalim等[13]进一步探讨使用水凝胶作为角膜组织工程的生物墨水，重点介绍在此背景下采用的各种生物打印方法。此外，研究人员讨论将不同材料和细胞作为生物墨水用于功能性角膜重建和再生的问题，强调人工角膜模型中最佳透明度、生物相容性和构造强度的重要性[14-15]。总之，3D生物打印技术与各种生物墨水材料的整合为角膜组织工程领域带来巨大前景。

2.1""甲基丙烯酰化明胶

甲基丙烯酰化明胶（gelatin"methacryloyl，GelMA）是一种由甲基丙烯酸酐与明胶制备获得的光敏性的生物水凝胶材料，通过光激发固化反应形成适合细胞生长的3D结构。由于其出色的生物相容性、生物降解性和成型能力，在生物制造和组织工程领域广受推崇[16]。目前已开发出多种方法制造可交联的GelMA材料，以形成用于生物制造的水凝胶[17]。GelMA已被用于制造创新的生物医学设备，如用于微创提取皮肤间质的微针贴片和具有中尺度孔隙网络的3D生物打印组织结构[18]。GelMA还被纳入用于神经再生的复合支架和组织工程的含氧细胞构建物[19-20]。此外，GelMA被探索用于具有形状记忆特性的可注射分层多孔水凝胶构建物[21]。GelMA的多功能性使其广泛用于生物医学领域，进一步的研究可侧重于优化基于GelMA的构建物的特定用途，并探索生物医学设备开发的新可能性。

Farasatkia等[22]推出由蚕丝纳米纤维（silk"nanofibrils，SNF）和GelMA组合而成的透明混合膜，用于角膜组织工程。SNF和GelMA的最佳比例为3∶7，具有高透明度、亲水性和类似于天然角膜基质的机械性能。这种混合膜的弹性模量为（36.2±7.0）kPa，拉伸强度为（3.8±1.0）MPa，吸水率高达（138±27）%。在GelMA中加入SNF可降低其降解率，使其成为一种很有前景的角膜再生材料。细胞培养研究表明，与单独使用SNF相比，3∶7的SNF和GelMA薄膜可显著提高细胞代谢活性和覆盖面积。Alves等[23]于2023年进行的另一项研究中，评估从海洋明胶中提取并添加抗坏血酸的GelMA水凝胶在角膜基质中的应用。总之，基于GelMA的材料具有理想的机械、光学和生物特性，有望用于角膜再生和角膜基质。

2.2""甲基丙烯酰化丝素蛋白

甲基丙烯酰化丝素蛋白（silk"fibroin"methacryloyl，SilMA）是由甲基丙烯酸缩水甘油酯对丝素蛋白（silk"fibroin，SF）进行甲基丙烯酰化改性，在SF上引入双键。由于SF特殊的空间结构，其在改性前极易形成结晶而难溶于水，改性后可在水中快速溶解，这使SilMA可被光固化为水凝胶。因此作为一种多功能生物材料，其在组织工程和再生医学中均有广泛的应用。研究表明SilMA可以各种形式用于组织再生，如自增强水凝胶和纳米纤维支架[24-25]。此外，Li等[26]还开发出SilMA改性水凝胶以促进细胞粘附并创建定制3D细胞负载结构。通过开发专用支架和微针，SilMA在软骨再生和糖尿病伤口愈合方面的潜力也得到证实[27-28]。在支持神经细胞分化方面，Lee等[29]利用SilMA与果胶或甲基丙烯酰化果胶结合，开发用于3D生物打印应用的机械可调节双交联生物墨水，在无须生长因子的3D脑模型中展示持续的活力和高度的神经元分化。

在角膜工程中的应用主要体现在其良好的生物相容性和机械性能。通过化学改性，能形成三维支架，促进角膜细胞的生长和再生。此外，通过改善眼部药物的生物利用度，SilMA可用于药物缓释系统。在临床前研究中，SilMA显示出促进角膜愈合的效果，未来有望在个性化医疗和再生医学中发挥更大作用。SilMA的合成已被用于开发组织工程角膜构建物[30]；利用离心铸造等技术制造丝素蛋白膜用于角膜组织工程的研究也在进行中，这些研究均凸显SilMA在角膜领域的多功能性和潜力。

2.3""复合水凝胶

目前研究侧重于开发使用复合水凝胶作为角膜替代物的方法。Buznyk等[31]探索使用注入抗血管内皮生长因子释放系统的胶原基支架作为高风险角膜移植术的潜在角膜替代物。该研究将金纳米粒子与贝伐单抗整合到无细胞水凝胶支架中，还对其进行初步体外评估，进一步强调复合水凝胶在这一领域的重要性。

此外，Wong等[32]研究一种基于羟丙基环糊精和软水凝胶隐形眼镜的复合系统，用于向角膜输送益康唑，展示创新药物输送系统在角膜治疗中的潜力。在人工角膜移植或眼表修复方面，Luo等[33]设计一种细菌纳米纤维素/透明质酸复合水凝胶，突出其在角膜应用中的多功能性。Zhang等[34]利用3D生物打印技术创建用于角膜基质工程的角膜脱细胞外基质/甲基丙烯酰明胶生物墨水，展示复合水凝胶在角膜组织工程中的精确性和可调机械性能。与此类似的是，Liang等[35]研究N-羟基磷灰石/聚乙烯醇/壳聚糖多孔复合水凝胶的制备和表征，强调这些材料在角膜组织工程中的潜力。

3""3D生物打印在眼科尤其角膜方面的可行性研究

在角膜移植方面，可解决捐献者短缺问题，制造可生物相容的角膜组织，调整细胞类型和生物材料组合，创建适当形状和厚度的角膜结构；在细胞培养方面，通过种植角膜上皮细胞、干细胞等，开发适合角膜细胞生长的生物墨水，确保生物活性和细胞功能；在角膜再生方面，通过修复受损角膜组织可治疗角膜瘢痕、外伤等，打印具有特殊纳米结构的支架，促进角膜生长；在个性化治疗方面，根据患者需求定制个性化角膜替代物，改善手术及术后效果；在临床前研究方面，动物实验测试打印的角膜组织的安全和有效性，并评估其在临床上的可行性，观察角膜细胞黏附能力和功能保持；在材料开发方面，通过增强生物相容性、力学性能和降解性，比较材料性能，优化支架设计和打印工艺，可适应角膜生物打印需求。

4""3D生物打印角膜的优势和挑战

3D生物打印角膜具有多种优势，首先可实现个性化医疗，根据患者的具体需求定制角膜支架，提高治疗效果。同时，采用先进的打印技术，可精确构建复杂的角膜结构，优化生物相容性，减少排斥反应，促进细胞生长与功能恢复。此外，通过高效生产，可更快地制造出所需的角膜组织，缩短患者等待时间，且因打印具备可重复性，提升可靠性。该技术还可集成药物缓释系统，有助于降低医疗成本、改善治疗效果，提升患者的视觉及生活质量。

虽然3D生物打印角膜具有巨大潜力，但仍需克服以下挑战：首先，在材料选择上，缺乏理想的兼具生物相容性和力学性能的材料。其次，需要优化打印参数和工艺提高打印技术的精确性，以确保生物功能和角膜组织的完整性。此外，细胞生长和组织再生的能力也有待进一步研究，尤其是不同细胞来源和培养条件下。最后，3D打印角膜需通过严格的临床试验验证其安全和有效性，同时满足相关法规和伦理。市场接受度和经济性也是挑战之一，如何降低成本获取应用需要综合考虑。

5""小结与展望

3D生物打印技术在角膜领域的应用正在快速发展。现有研究成果显示，3D打印可构建复杂的人工角膜，并使用复合材料以促进角膜细胞生长。这项技术有潜力实现个性化的角膜修复，缩短患者等待时间并提高恢复效果，未来可能改变传统治疗方式。当前3D打印角膜的研究面临材料生物相容性不足、细胞活性不高、技术缺乏及临床验证不足等问题。未来的研究应重点关注新材料的开发、细胞工程优化、打印工艺改进及临床应用的评估。科研工作者需深入探讨如何合成理想材料、提高细胞活性、提升打印技术并确保其临床可行性，以促进3D打印角膜的应用与发展。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突。

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（收稿日期：2024–08–22）

（修回日期：2024–12–11）