四川大学等使用近红外光3D打印技术在体内制造人类耳朵

在生物组织的制造中，3D打印耳朵是研究人员热衷的一个方向，最近在这个领域又出现了新的进展。2020年6月15日，来自中国四川大学、比利时根特大学和美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发了一种在人体内部3D打印人耳的方法。

这个研究团队新开发了一种基于数字近红外（NIR）光聚合（DNP）的3D打印技术，该技术可以实现组织构建体的无创体内3D生物打印。这种新方法可以让医生修复因运动损伤或意外事故而受损的人耳，为3D打印研究开辟了一条无创医学的新途径。

基于DNP的无创3D生物打印示意图

将定制的CAD模型的数据通过控制计算机送入DMD芯片。将带有光学图案的980nm近红外光穿过光学透镜及组织投射到生物墨水上，在人体内无创地制造体内活体组织。生物墨水中含有UCNP@LAP纳米引发剂，可以将近红外光转化为365nm的光，然后引起单体聚合。

研究人员创造了一个包含软骨细胞的定制化耳朵形状的构造，事实证明，在整整一个月后，它的结构是稳定的，图片来自Science Advances

利用生物打印技术进行组织制造

近年来，生物打印技术已被用于为一系列医疗应用创造个性化结构，特别是在再生医学方面。利用喷墨、挤出、激光直写和光固化3D打印技术，科学家已经能够制造出活体器官和组织。其中许多体内应用需要有创手术实施，或在暴露的创面进行原位3D打印。此外，对于皮肤下的内伤，暴露创面的手术可能会损伤周围组织，造成二次伤害。

研究人员开发了一种替代DLP 的3D打印工艺，使他们能够非隐蔽地将组织覆盖的生物墨水制造成定制产品，包括原位的活体组织构建。以前的方法已经将DLP用于多组织重建或修复，包括脊髓、周围神经和血管损伤。 传统上，利用紫外线（UV）或蓝光通过光聚合来辅助生物打印，但这些很难作为无创制造的工具，因为它们的组织渗透能力差。

为了具备深层组织穿透能力，研究人员开发了一种基于近红外（NIR）光的方法，而不是使用基于紫外线或蓝光的方法。传统上用于患者的控释药物，通过精确控制近红外诱导的高效光聚合，可以无创地将组织覆盖的生物墨水制造成结构化产品。在设计数字近红外光聚合(DNP)工艺的基础上，研究团队创建了一种无创的体内3D生物打印系统。

利用3D生物打印技术制作人耳

研究人员的方法包括创建一个计算机辅助设计（CAD）模型，通过连接的数字微镜设备（DMD）芯片，动态生成数字近红外。 然后投射红外光，以非侵入性方式诱导局部注入的生物墨水逐层进行聚合。常用的生物相容性的水凝胶单体，如明胶甲基丙烯酰（GelMA），被证明是与这种近红外照射过程下的聚合兼容。一旦生物材料被激活，图像被依次送入计算机。

测试表明，DNP工艺能够快速打印GelMA衍生的水凝胶 ，打印一层200μm厚的组织大约需要15秒。为了评估该方法的能力，使用DNP工艺制造了宽度从200到100μm递减的三环微结构。双层微结构具有精确的、定制的3D特征，如花状、蛋糕状和一种桁架结构，在体外制作，证明了该技术的能力。

在制作3D打印耳朵之前，研究人员制作了一系列复杂的3D微结构，图片来自Science Advances。

(A)扫描电子显微镜(SEM)拍摄的结构图像，包括宽度递减的三环微结构、花状、丹板状、圆饼状和一种桁架结构，比例尺：200μm。(B)用于估计组织渗透能力的打印设置示意图，生物墨水被沉积在皮肤或肌肉下。(C)生物墨水在表面、覆盖在皮肤下、在0.5毫米厚的肌肉下，三种情况通过DNP工艺打印的环结构的图像。比例尺：0.5厘米。

研究人员将一块0.5毫米厚的猪肌肉组织覆盖在生物墨水中，以模仿非侵入性的体内3D生物打印现象。利用近红外光，研究小组能够激发生物墨水中的纳米引发剂的模式化发射，并诱导聚合。当该过程在实验室小鼠体内进行测试时，并没有对其周围的组织产生影响，小鼠的组织结构完整，没有明显的炎症和异常缺陷。三种类型的结构，包括三角形、十字形和两层饼状水凝胶构建体，通过DNP工艺成功地在体内无创打印，表明该工艺能够实现无创的体内3D生物打印。

研究人员使用同样的工艺创建了一个包含软骨细胞的定制化耳形构建体。打印后，耳朵的细胞具有良好的生存能力，在体外培养7天，一个月后，构建体的耳朵形状已经保持。作为非侵入性3D生物打印的概念验证，该耳状组织在未来的组织再生和耳廓重建中提供了广阔的应用前景。

以前的3D生物打印方法

生物打印技术已被用于快速成型制造，以制造一系列用于植入的活体器官和组织。俄罗斯生物技术研究实验室3D Bioprinting Solutions已经在国际空间站（ISS）的零重力下3D生物打印骨组织。利用实验室的磁性3D生物打印机Organ.Aut，项目希望实现在长期的星际探险中为宇航员移植创造骨植入物。

来自宾夕法尼亚州卡内基梅隆大学（CMU）的科学家使用一种新型的3D生物打印方法来构建人类心脏的功能部件，2019年8月。利用自由形态可逆嵌入悬浮水凝胶（FRESH）技术，该团队能够3D打印小血管、瓣膜和跳动心室的胶原蛋白。

3D生物打印技术公司Aspect Biosystems于2019年1月宣布与荷兰马斯特里赫特大学（UM）合作。该项目的重点是开发可行的肾脏组织用于医学测试。

研究人员的研究结果详见他们发表在《Science Advances》杂志上的论文  “Noninvasive in vivo 3D bioprinting”。该研究由Yuwen Chen, Jiumeng Zhang, Xuan Liu, Shuai Wang, Jie Tao, Yulan Huang, Wenbi Wu, Yang Li, Kai Zhou, Xiawei Wei, Shaochen Chen, Xiang Li, Xuewen Xu, Ludwig Cardon, Zhiyong Qian and Maling Gou. 共同撰写。

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