混合捐贈(zèng)者眼角膜干細(xì)胞、海藻酸鹽、膠原蛋白制成

突破 含有干細(xì)胞的生物墨水

我們都知道，當(dāng)眼角膜不幸受損后，如果不能靠治療修復(fù)，想要重新看清世界，只有換上新的眼角膜，而這一過(guò)程只能靠“等”。如今有了3D生物打印的助力，苦等的人們有了新的希望，換眼角膜的幾率也會(huì)上升。英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)遺傳醫(yī)學(xué)研究所的研究人員稱，他們用3D生物打印機(jī)和“生物墨水”成功復(fù)制了人類的眼角膜。這項(xiàng)技術(shù)意味著，如果未來(lái)能實(shí)際使用，或許能讓眼角膜實(shí)現(xiàn)無(wú)限供應(yīng)。

這種生物墨水是由捐贈(zèng)者眼角膜的干細(xì)胞（人類角膜基質(zhì)細(xì)胞）、海藻酸鹽和膠原蛋白混合制成的。研究人員利用3D生物打印機(jī)，將生物墨水按照同心圓的“路徑”擠壓成型，從而形成人體角膜的形狀。據(jù)悉，等待人工眼角膜“新鮮出爐”的時(shí)間只有不到10分鐘。

“我們獨(dú)特的凝膠結(jié)合了海藻酸及膠原蛋白，能使干細(xì)胞保持活性。同時(shí)，‘材料’足夠堅(jiān)硬，能夠保持它的形狀，但又足夠軟，能夠從3D打印機(jī)的噴嘴中被順利‘?dāng)D’出來(lái)?！奔~卡斯?fàn)柎髮W(xué)組織工程教授切·康諾表示，世界上許多團(tuán)隊(duì)一直都在尋找理想的生物墨水，為的就是讓這一過(guò)程變得可行。

康諾說(shuō)這次的成功基于之前的各種嘗試，他們?cè)尲?xì)胞待在類似的水凝膠中，并讓它在室溫下存活了數(shù)周。而最新研制的含有干細(xì)胞的生物墨水，在能夠打印組織的同時(shí)，省去了單獨(dú)培育細(xì)胞的步驟。而且，研究表明，干細(xì)胞還可以繼續(xù)發(fā)育。

研究人員稱他們可以“訂制”眼角膜，來(lái)滿足患者眼睛的特別需求。打印組織的尺寸是從實(shí)際的眼角膜上獲取的。通過(guò)掃描患者的眼睛，可以根據(jù)數(shù)據(jù)快速打印出大小、形狀相匹配的眼角膜。

現(xiàn)狀 全球角膜捐獻(xiàn)嚴(yán)重短缺

角膜是眼睛的外部結(jié)構(gòu)，“工作職能”包括聚焦光線和保護(hù)內(nèi)眼，根據(jù)美國(guó)眼科學(xué)會(huì)的資料，角膜是由細(xì)胞層構(gòu)成的，這些細(xì)胞層保護(hù)我們的眼睛，同時(shí)提供清晰的視覺(jué)。角膜必須保持清晰、光滑、健康，才能有良好的視力。如果有疤痕、腫脹或者受損，光線就不能正確地聚焦到眼睛里，就會(huì)導(dǎo)致視力模糊或引起眩光。

當(dāng)角膜不能被治愈或修復(fù)時(shí)，就只剩下角膜移植一種方法了。通常，捐贈(zèng)者都是在去世后將自己的角膜捐獻(xiàn)或贈(zèng)與給需要的人，好在這一移植不存在器官移植可能面臨的適應(yīng)性問(wèn)題，也就是說(shuō)，眼角膜移植不需要等待“匹配”的捐獻(xiàn)者。不過(guò)，和器官捐獻(xiàn)面臨的相同困境是，眼角膜也處于“供不應(yīng)求”的狀態(tài)。健康眼角膜的捐獻(xiàn)者并不多，而需求確實(shí)居高不下。目前，世界范圍內(nèi)有1500萬(wàn)人在等待手術(shù)，這些人患有可能導(dǎo)致眼角膜受損甚至失明的沙眼等傳染性眼病。另有500萬(wàn)人因燒傷、撕裂傷、擦傷或其他疾病引起的角膜瘢痕而完全失明。

2016年的一項(xiàng)研究提到，全球每70個(gè)角膜患者中，只有1人可以得到角膜移植，這足以說(shuō)明全球可供移植角膜數(shù)量的嚴(yán)重短缺。而3D打印眼角膜這一技術(shù)能夠增加“貨源”，借助每位捐獻(xiàn)者的干細(xì)胞“生產(chǎn)”出多個(gè)角膜，如果付諸實(shí)施，就有希望減少眼角膜的“供貨赤字”。而研究人員現(xiàn)在需要做的，就是確保這種打印眼角膜的“品質(zhì)”——包括不會(huì)造成人體排斥，能夠正確聚焦光線等?？抵Z稱，為了能更有把握，距離移植的那一天可能還要再等待幾年，不過(guò)這項(xiàng)研究向大家展示了打印眼角膜的可行性，并且是解決角膜全球短缺的好方法。

鏈接 3D打印身體組織器官

除了眼角膜，3D打印還在其他身體部位找到了“一席之地”。3D打印技術(shù)最初是應(yīng)用于模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，之后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。2017年8月，世界首臺(tái)3D人體打印機(jī)問(wèn)世，它模擬身體組織和器官，使用生物墨水，讓3D打印的器官與人體更加融合，可以打印鼻子、嘴巴等各類可移植器官。

軟骨 有望能治療關(guān)節(jié)炎

2017年4月，瑞典哥德堡市薩爾格學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用3D生物打印機(jī)打印干細(xì)胞，成功地制造了軟骨組織，另外，研究小組還能影響細(xì)胞復(fù)制、分化，形成用于打印結(jié)構(gòu)的軟骨細(xì)胞。該研究刊登在了《自然》（Nature）推出的期刊《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports ）上。

該研究是瑞典哥德堡市薩爾格學(xué)院與查爾姆斯理工大學(xué)的一組研究人員合作進(jìn)行的，研究小組從接受過(guò)膝蓋手術(shù)的患者身上提取了軟骨細(xì)胞，在實(shí)驗(yàn)室中讓這些細(xì)胞恢復(fù)活力，恢復(fù)成多能性干細(xì)胞——有潛力發(fā)展成許多不同種類的細(xì)胞。之后干細(xì)胞被封裝在納米纖化纖維素（nanofibrillated cellulose）的合成物中，并通過(guò)3D生物打印機(jī)打印成一個(gè)結(jié)構(gòu)?！坝∷ⅰ焙?，干細(xì)胞在生長(zhǎng)因子的引導(dǎo)下正確分化，從而形成軟骨組織。

在自然界中，干細(xì)胞分化成為軟骨是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，但是在試管中完成就要復(fù)雜得多。研究團(tuán)隊(duì)的大部分工作都是尋找能讓細(xì)胞在打印、復(fù)制、分化成軟骨的過(guò)程中存活下來(lái)。該研究小組負(fù)責(zé)人，細(xì)胞生物學(xué)教授斯蒂娜·西蒙森說(shuō)，他們?cè)跊](méi)有任何動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)下做到了這一點(diǎn)，也是第一個(gè)成功的。

3D生物打印出的軟骨與人類軟骨極為相似，據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)生檢查，這種人造軟骨和真正的軟骨沒(méi)有什么區(qū)別，而材料的性質(zhì)與他們患者的天然軟骨相似。就像普通軟骨一樣，實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的材料含有II型膠原蛋白，在顯微鏡下，細(xì)胞看上去很完美，結(jié)構(gòu)也類似于人類軟骨樣本。

如果不久的將來(lái)能夠靠利用患者自己“備份”的干細(xì)胞來(lái)生產(chǎn)軟骨，那么將有助于修復(fù)軟骨損傷或者治療骨關(guān)節(jié)炎，為眾多骨關(guān)節(jié)炎患者帶來(lái)福音。

腎臟 測(cè)試藥性協(xié)助透析

2016年，科學(xué)家通過(guò)3D打印技術(shù)造出了一種微小、復(fù)雜的管子，和真正腎臟的關(guān)鍵部分很相似。雖然在制造人工腎臟代替器官前還有很遠(yuǎn)的道路，但這是研究人員首次使用3D打印技術(shù)制造出如同真品一樣的腎臟組織。這一3D打印的腎臟組織是由哈佛大學(xué)詹妮弗·路易斯實(shí)驗(yàn)室完成的。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種生物打印組織的新方法，使研究人員能夠打印出不同類型人體組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及維持這種組織存活所必需的血管系統(tǒng)。這種“打印”方法使用了多種凝膠狀的“墨水”，打印之后，研究人員移除其中一種墨水，留下中空的管子，之后加入細(xì)胞，而這些細(xì)胞會(huì)發(fā)育成組織。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，這種工程化組織顯示出真正的腎臟功能，尤其是能夠制造出近端腎小管，即腎臟基本功能單位——腎元的一個(gè)組成單位。腎元負(fù)責(zé)過(guò)濾血液，將有用的東西保存在身體里，排出廢物。如果能夠制造出腎元，理論上就能“制作”腎臟了，不過(guò)考慮到還要開(kāi)發(fā)其中互相連接的部分，這一工程還要很多年才能實(shí)現(xiàn)。

材料科學(xué)家詹妮弗·路易斯說(shuō)，盡管如此，打印出來(lái)的組織還是有醫(yī)學(xué)價(jià)值的，首先，這樣的組織可以用來(lái)測(cè)試潛在的藥物；另外，人造組織也可以在體外的設(shè)備中使用，協(xié)助腎臟透析，當(dāng)然，開(kāi)發(fā)這樣的設(shè)備也還需要幾年的時(shí)間。

本版編譯 陳小丹