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浙大教授发明新型生物3D打印 未来有望自由制造人体“零件”

来源:客户端

发布时间:2018-09-28 17:40:27

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贺永实验室用“生物墨水”打印的一朵玫瑰花


凯文·凯利在1994年出版《失控》时,就已经预言未来将会是:人类逐渐机器化,机器则会生物化。这个趋势,在人工智能越来越兴起的今天,更加明显。先单说人类的事情。将来,人类肉身中部件的修复、更新,可能会大量地依靠材料科学。3D打印活体器官延长寿命的梦想尽管遥远,但我们正向它一步步逼近。

浙江大学机械工程学院贺永教授课题组发明了一种新型生物3D打印方法,能够操控不同种类的细胞形成特定结构的微球,进而长成具有生物活性的微组织。这一方法将为体外重建类器官,为开发更为高效的器官芯片、实施更有效的细胞治疗等,提供有效路径。相关论文近日作为封底论文,刊登在著名的学术出版机构Wiley旗下的《SMALL》杂志上。


3D打印人体零件有一天换器官就像换电池      

平行宇宙理论世界级研究权威、麻省理工物理系终身教授迈克斯·泰格马克在他的新书《生命3.0》中,最重要的观点是他把整个宇宙的生命做了划分:生命1.0形态(除人类以外的生物)的硬件和软件,都是自然缓慢演化的结果,所谓天造地设;      

生命2.0形态,就是人类——硬件代代一脉相承,基本稳定;软件,指的是意识,可以快速进化,通过后天的学习、发展,发生很大的改变。但是泰格马克认为:地球上所有的生命,正在朝生命3.0状态演化——软硬件都可以快速迭代更新的生命体。也就是说,很有可能,人类的寿命将越来越长,身上都会有人工的设备。      

如果有一天,人类能够自由制造人体“零件”,更换器官就像更换电池一样方便,器官移植的来源就不再成为问题。不过要真正实现活体器官的3D打印,路途还是有点遥远。在3D打印的“初级阶段”,人类已经能够精准地打印牙齿、骨骼等组织结构相对简单的零部件,并应用于临床。颅骨损伤的病人,也可以通过3D打印头盖骨实现整形。但是,如果要把打印目标扩展到人体所有“零件”,挑战就大多了。

首先,要保证人造器官能够适应人体的力学环境——不能太硬、太软或者塌陷;其次,器官要能够存活并发挥特定的功能。比如,尽管3D打印的心脏“模型”已经很多,但至今没有一颗真正的3D打印心脏,能够成功植入生物体内。“我们想试试能否先实现一个小目标,打印生物活性的微组织。”贺永说。


操控“生物墨水”打印靠的竟是一股气      

科学家将不同的细胞,分别用水凝胶包裹,制成“生物墨水”,在一个微流控芯片喷头的控制下,一点点“吐”出多组分细胞微滴。“用这台机器,我们‘打’出了血管化的骨组织。”贺永说,他们第一次用两种分别混合了骨髓间充质干细胞和人脐带静脉内皮细胞的“生物墨水”,同步打印出了带螺旋形的微球。      

其中,骨髓间充质干细胞可定向分化为成骨细胞,内皮细胞会形成血管化细胞。经过几天实验室培养,呈螺旋形血管化的成骨类器官就形成了。用这种方法,实验室还做出了玫瑰花、带螺旋的微球、太极等造型的颗粒,直径在200微米(相当于0.2毫米)左右。总之,可以操纵细胞任意形成特定的“队形”。

“生物墨水”的组分之一水凝胶,是有名的“软”物质,如果对这么软的材料进行精准操控,颇为艰巨。课题组用一阵“风”巧妙地解决了:在一股微气流的吹动下,喷头吐出的液滴不会马上落下,而是会旋转起来,此时再根据数学建模控制不同组分“生物墨水”下降的方向,就能形成精致的立体结构。这个过程,有点像我们在转动的蛋糕模具上裱花,让不同细胞形成特定的立体“编队”。

“这一技术的精度可以达到单细胞分辨率。”贺永说,与现有生物制造方法相比,其特点是首次实现了在微小空间内三维结构的可控成型,为体外重建复杂类器官提供了新思路。“3D打印生物微组织的另一个用途是细胞治疗。”贺永说。      

当前细胞治疗的一大难点,在于直接注射的细胞容易被人体自身的免疫细胞吞噬。“我们或许可以打印出具有特定功能的细胞微球,让它们抱团在血管中行进,就不怕被吃掉,而且一到目的地,马上就可以发挥作用。”贺永说。浙大一位从事生物学研究研究的教授认为,这项研究在医学上很有意义:目前人类的技术已经可以通过干细胞培养出各种类型的细胞,但接下来还需要让这些细胞形成特定的组织结构。      

因为天然的生物组织远比我们想象得要复杂。比如血管是由成纤维细胞、平滑肌细胞、内皮细胞等组成的复杂结构,有的以维持弹性,有的用来防止血液凝固。“如果要‘打印’血管,就需要将不同的细胞打印到一起,形成特定的结构。”贺永说,三年前,他的课题组开始了尝试。

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