常溫常壓下也能列印出「大骨頭」了

　　來源： 中科院之聲

　　提到3D列印（3D-Printing），大家肯定不會陌生，這是近年來非常火熱的製造方法。

　　「從無到有」，3D列印在各領域大放異彩

　　3D列印是一種「從無到有」的製造方法，依賴電腦構建的3D模型即可列印出理想中的產品形狀。這諸多的優點讓3D列印在各個領域都得到了快速的應用，大到火箭和汽車的零部件、房屋，小到模型玩具。

全球首輛3D列印超級跑車（圖片來自網路）

　　而在醫療領域，3D列印也有著廣泛的應用。比如，教學使用的人體器官模型，幫助學生直觀地進行學習；還有手術前施術區域的3D列印模型，能夠幫助醫生提前了解手術區域的細節，提高手術的成功率。

　　此外，3D列印在製備人體組織的替代物，即組織工程支架方面，也具有非常好的前景。每個人都是獨一無二的個體，3D列印恰好能滿足現在精準醫療的需求，列印個性化的替代物，從而加速組織器官的修復。

　　但是，這些列印的支架都是「死」的，所以科學家在思考如何直接列印「活」的組織和器官，並為此提出了新的概念「生物列印（Bioprinting）」。

　　如何列印「活」組織？

　　這可是一個不小的難題。

　　傳統的3D列印雖然也能夠製備結構可控的組織工程支架，但是體外培養條件下，細胞並不是那麼「吃苦耐勞的工人」，細胞如同我們個體一樣，在外界條件很好的情況下，並不會願意朝最艱難的地方走去，即細胞難以長入支架內部。

　　另一方面，在列印後的支架表面種植細胞難以保證細胞在支架上分布均勻。生物列印技術就是應用了3D列印的原理，將組織工程的三要素（生物材料，種子細胞和生長因子）在空間上進行有序的排列，從而列印出3D「活」組織。

　　生物墨水是生物列印的原材料，它包含了組織工程的三要素並均勻混合形成了粘性水溶液。

材料決定產品製備方式和性能 

　　生物列印的組織或器官就如同一座高樓大廈，生物材料就是其中的一磚一瓦，種子細胞就是大廈內的工作人員，生長因子則可以看成外界給與細胞的工作指令，從而調控細胞的行為。

　　所以，生物墨水是生物列印的核心技術之一，直接決定了這座「大廈」能不能成功搭建，「工作人員」能不能好好工作，以及與外界能不能進行信息交流。

　　生物墨水，生物列印的「關鍵」

　　為了滿足活體組織或器官的構建，生物墨水必須具備可列印性、易成型性、生物相容性和生物功能化這幾個特性。

　　可列印性：生物墨水能夠連續擠出或噴出直至完整的3D支架列印完成。

　　易成型性：要求生物墨水能夠快速交聯成型，從而維持支架長期的穩定性。

　　生物相容性和生物功能化：保證列印後的支架能夠維持搭載的細胞或生長因子的活性，以及後續體外培養成特定組織的能力。

　　生物材料是構建生物墨水的基礎，直接影響生物墨水的各種性能。目前最為常用的生物材料有海藻酸鹽（ALG）、甲基丙烯酸化明膠（GelMA）等。但這材料都存在一定的局限性。

海藻酸鹽/聚賴氨酸生物墨水列印示意圖

　　近期，中科院深圳先進院等設計了一種新型的生物墨水，可以在常態環境下構建大尺寸自支撐的功能化3D支架。

　　該團隊首次提出海藻酸鹽/聚賴氨酸基新型聚電解質生物墨水，富含氨基的聚賴氨酸與海藻酸鹽上的羧基具有電荷作用，可以在常態下實現大尺寸自支撐結構支架的列印。

3D列印大尺寸骨模型

　　為了維持支架的長期穩定性，他們進一步對支架氨基和羧基進行反應，實現支架的降解速率可控，同時還實現了支架表面電荷的可調控性。而基於可調控的支架表面電荷，這些支架不僅促進了細胞的黏附，還能夠實現多種活性因子的吸附和緩釋，體外細胞實驗證實了負載的細胞外基質或生長。

　　這種新型的生物墨水，在列印大尺寸3D支架和功能化支架方面具有特別的優勢，而且墨水穩定性很高，能夠大批量生產各種功能化組織工程支架。

　　目前，該團隊已經利用該生物墨水列印出了一些骨-軟骨一體化修復支架和血管支架，準備開展試驗，希望最終實現缺損組織完美修復。未來，這種生物墨水將會在構建多細胞和梯度功能組織工程支架方面有更廣泛的應用。

　　上述相關研究發表在國際期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials），文章第一作者為林子鋒研究助理，通訊作者為阮長順副研究員、潘浩波研究員和陳大福教授。該生物墨水也已申請專利保護。

　　阮長順課題組長期開展3D生物列印與生物醫用材料相關研究，近年來在3D生物列印領域發表一系列文章，包括實現骨誘導型功能生物墨水（Advanced Science，2018）、高強度水凝膠墨水構建骨/軟骨一體化修復支架（Advanced Functional Materials，2018； ACS Biomaterials Science & Engineering，2017）等。

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