寻找变与不变的平衡点,改变3D生物打印

医疗健康 来源:火石创造(微信号 firestone-link) 作者:徐善慧
2016
09/05
10:15
火石创造(微信号 firestone-link)
作者:徐善慧
医疗健康

在第一届Regenovo生物3D打印学术论坛上,台湾大学组织工程与3D列印中心主任徐善慧教授分享了其团队在水性高分子材料用于3D生物打印方面的一些研究成果。

工业上有很多种3D技术,但并不是都能够应用于生物医学。因此生物医学中除了用一些硬组织材料,就是一些镭射技术,有机材料比较常见的是SLAFDM和LFDM,最简单的是挤压成型的方法。一般的3D打印材料可以大致分为无机材料和有机材料两大类,今天我主要针对有机材料的部分。

低温加工水性材料的出现

有机材料的好处就是加工方式很多,目前在产业界用得最多的是聚乳酸(PLA)和丙烯晴-丁二烯苯乙烯共聚物(ABS),他们的差异在于ABS是不能分解的。

高分子3D打印材料最流行是ABS,他的加工性能很好,但是他的问题在于它的一般加工方式是高温,在打印的时候会有味道,这个味道与他的挥发性有关,因此近年来受欢迎程度不及PLA。如果用高温加工,PLA和PCL都会发生水解,因此打印出的东西跟原料是不一样的,这就限制了在医疗领域的应用,因此我们在2001年开始就决定不用高温来做PLA和PCL的打印,因为打印完以后,原料的水解程度都不一样。因此后来我们改用溶剂的方法,在低温下来加工。

高分子的好处在于他除了可以用熔融加工之外,还可以用溶剂加工,溶剂就可以用低温,但是溶剂大部分都是有毒的,PLA、PCL的溶剂通常有1,4-二恶烷、二氯甲烷、三氯甲烷。水性打印材料做到了绿色环保,不仅是对外环保,对人体也是安全的,不用担心当生物打印支架的孔隙度高的时候残余溶剂的安全性。

常用的水性打印材料中,天然高分子的有壳聚糖、明胶等,壳聚糖以液体冷冻沉积方式成型,但是他性质较脆,明胶以光固化方式成型,用光固化的好处是容易成型,但是会存在自由基,如果打印的是细胞,不同的细胞吃掉自由基的程度不同,因此系统换了细胞之后,就需要调整,而且细胞的存活率会受到自由基的影响。合成高分子有PEG和普朗尼克,它们的优点在于灵活的可修饰性,但是它们不能生物分解,只能溶解,因此只有在小分子的时候可以溶解,然后被排出体外。

改善方案

1、水性生物可降解有机弹性体的3D打印技术

我们把PCL或者PLA这种可分解的聚酯引入到PU这个高分子的R端,接着经由一些小分子合成技术做自乳化,在这里引入带负电的物质,可以把它做成带负电的纳米弹性体,然后就可以简单地利用水性低温的系统来物化成型。这就是我们的打印系统,大概在-20~-30℃的低温情况下就可以快速地进行打印。

那为什么我们可以做这件事呢?原因就是,我们打印出来的东西里面有大堆PU的纳米弹性体,每一个纳米弹性体大概有200-300的高分子链,每条链带分子量是10万,所以整体有1000万的分子量,所以它相当于一个纳米的橡胶,虽然是纳米级别的,但是仍然有弹性体的力学特性。这样的物质有一个好处,就是把它加工之后变成了水不溶性,可以打印出各种大小的目标物质,这些目标物质都是水性的打印材料,但是可以不溶于水。打印出来的软骨,它的压缩性值、各种机械性值、动态机械性值跟天然的软骨是比较类似的。

接下来的问题就是细胞是否可以留在里面。从我们得到的结果来看,细胞在PU里面可以长得比PLGA还要好,原因是PLGA表面都是疏水基团,而我们的PU是水性系统,细胞更容易种进去。所以整体来讲,它的生物相容性是很好的,并且更大的好处是我们可以把生长因子、FTF或者其他药物跟细胞同时打印进去,然后随着时间的推移在体内释放出来。

有人说在平面培养细胞的时候Y27632不会软骨化,但是在三维空间会。所以我们用含有Y27632的打印物来考察释放情况随着时间发生的变化。加Y27632取代TGFβ的好处是,因为TGFβ也是硬骨发育过程中需要的生长因子,所以一直释放TGFβ会走向硬骨化,但是如果用Y27632是不会的。我们看到的结果是在三天之后干细胞都可以达到一个有效浓度,这也就意味着可以聚集然后软骨化。

基因表现也都显示出把细胞种进我们打印出来的生物支架里之后,会有最好的软骨化,蛋白质表现层面也都呈现同样情况。

2、水性生物可降解水凝胶的生物打印材料

我们制成的水性材料有一个最大的缺点,就是当我们要连细胞和组织一起打印出来的时候,细胞是不太耐冻的。有团队尝试用低温加DMSO来保持细胞的活性,但是不太成功。我们希望用温感或是光固化去折中或者修改我们这些材料,希望可以把它做成一个水凝胶的打印材料。

在文献里面有很多人都讲过不同的技术,但是大部分材料都还不能满足打印的时候让它变形,打印完了之后又不变形的要求。

我们之前把同样的PU材料在改了一些R端的比例之后,发现这些纳米弹性体变成凝胶了,而且这个凝胶的状况是不可逆的,能够含住细胞。PU的水溶液好处就在于可以直接调节其中的固体成分,来改变整体的化学结构,从而改变硬度。所以可以看到,生物打印技术的发展中,流变学绝对是非常重要的一个参数,而我们的材料是可以改变流变学性质的。

生物打印的未来发展还需要解决什么问题?

我认为在未来,多细胞多材料当然要配上多喷头的设计,会使打印得到发展。

另外一个非常重要的就是血管网络形成。软骨没有血管,所以好做,但是很多组织都要血管。这个也是未来的一个方向,你如果要打印器官,尤其是肾脏、肝脏这种大型组织,血管网络的形成是非常重要的一个瓶颈。

3D生物打印到目前还有很多的改进空间,这部分我相信是有机高分子材料能够贡献的,主要的原因在于它有可能实现形变的时候可以形变,而打印完了又可以保持不变,并且能够保护细胞使其存活。

小结

1、新型的有机高分子打印材料墨水仍在发展中,希望全世界都在这个领域能够崭露头角;

2、打印的设备,不管是高温控制还是光交联的平台,在设计的时候要跟新颖的墨水材料能够彼此配合;

3、希望能够在生物墨水流变学上面找到一个平衡点,让生物墨水有一天能够很好地把组织和细胞打印出来。

来源:火石创造(微信号 firestone-link)   作者:徐善慧

(原标题:徐善慧教授:寻找变与不变的平衡点,改变3D生物打印)

为你推荐

阿斯利康最新披露:在中国或面临800万美元新罚款资讯

阿斯利康最新披露:在中国或面临800万美元新罚款

据相关报道,英国当地时间4月29日,阿斯利康在最新季度的财报会议上透露,就在华涉嫌非法进口药品一事,公司可能可能会在中国面临一项新的罚款。

2025-04-30 15:53

君合盟生物重组A型肉毒毒素临床试验双线突破,覆盖严肃医疗与消费医疗两大领域资讯

君合盟生物重组A型肉毒毒素临床试验双线突破,覆盖严肃医疗与消费医疗两大领域

用于成人中、重度眉间纹适应症的III期临床试验在组长单位北京大学第一医院正式启动并完成首例入组。针对成人脑卒中后上肢痉挛治疗的II期临床试验由复旦大学附属华山医院牵头并顺...

2025-04-30 12:39

海关总署关于进口阿根廷牛黄的检疫和卫生要求资讯

海关总署关于进口阿根廷牛黄的检疫和卫生要求

本公告中的牛黄是指来自于阿根廷共和国国内养殖牛的胆囊或胆管的干燥胆结石。

2025-04-28 22:10

股价只剩2毛,这家上市15年的A股药企要退市了资讯

股价只剩2毛,这家上市15年的A股药企要退市了

上市15年后,吉药控股最终还是走向了退市的结局。

2025-04-28 17:50

科塞尔医疗完成近亿元B+轮融资,加速血管介入器械全领域平台化布局资讯

科塞尔医疗完成近亿元B+轮融资,加速血管介入器械全领域平台化布局

本轮融资由国内知名投资机构铁投巨石领投,苏高新金控持续追加投资,园雍投资跟投,资金将用于核心产品研发、全球市场推广及产能扩建。

2025-04-28 16:54

一款印度企业的原料药被暂停进口资讯

一款印度企业的原料药被暂停进口

昨日(4月27日),国家药监局发布公告称,暂停进口印度企业VITAL LABORATORIES PVT LTD 地高辛原料药。

2025-04-28 12:52

凯西集团2024财年实现双位数营收增长,不断投资研发,聚焦可持续发展资讯

凯西集团2024财年实现双位数营收增长,不断投资研发,聚焦可持续发展

凯西集团(Chiesi Group)是一家以研发为基石的意大利国际制药集团,总部位于意大利帕尔马,业务覆盖全球31个国家和地区。在2024财年,凯西集团圆满收官,取得了强劲的财务业绩...

2025-04-28 11:29

别让肺结节成心结,肺健康清“结”公益行动在人民日报社正式启动资讯

别让肺结节成心结,肺健康清“结”公益行动在人民日报社正式启动

2025年4月27日,《爱肺行动》之别让肺结节成心“结”——肺健康清“结”公益行动,在北京人民日报社正式启动,由广东省钟南山医学基金会、江苏养无极药业有限公司发起,联合京东健康...

2025-04-28 10:26

耀速科技获数千万元战略投资,以“AI+器官芯片”助力新药研发资讯

耀速科技获数千万元战略投资,以“AI+器官芯片”助力新药研发

本轮资金将用于加速公司“3D-Wet-AI”闭环技术体系的建设,并推动国际合作及多场景商业化落地。

2025-04-28 10:01

被忽视的“经期头痛”,专家提醒频繁发作需及时就医资讯

被忽视的“经期头痛”,专家提醒频繁发作需及时就医

偏头痛是一种常见的慢性神经血管性疾病,不仅有中到重度的头痛症状,还常伴随多种复杂症状比如恶心、呕吐、畏光、畏声等。女性偏头痛的发病率是男性的2~3倍,约20%~25%的女性偏...

2025-04-28 09:42

126个药品在辽宁省主动降价资讯

126个药品在辽宁省主动降价

辽宁全省所有医疗卫生机构将于04月30日起执行新的挂网采购价格。降价产品设置采购过渡期,时间为1周。

2025-04-27 18:35

A股上市公司未名医药的核心子公司,被停产资讯

A股上市公司未名医药的核心子公司,被停产

4月24日晚间,未名医药发布公告称,4月22日,天津市药监局发布公告,对公司控股子公司天津未名生物医药有限公司(以下简称“天津未名”)进行了药品GMP符合性检查。经综合评定、...

2025-04-27 11:34

瑞博生物港交所递表,小核酸药物龙头企业有望登陆资本市场资讯

瑞博生物港交所递表,小核酸药物龙头企业有望登陆资本市场

瑞博生物成立于2007年,专注于RNA干扰(RNAi)技术开发及小核酸药物产业化,是全球最早布局该领域的开拓者之一。

2025-04-27 10:36

Cytiva与中欧创新医药与健康研究中心签署全面合作协议资讯

Cytiva与中欧创新医药与健康研究中心签署全面合作协议

双方将携手在细胞治疗药物成果转化领域展开全面合作,推动大湾区生物医药产业的蓬勃发展,打造全球生物医药创新高地。

2025-04-25 19:49

精鼎医药任命 Charlotte Moser为公司首席医疗官,负责领导全球医学战略资讯

精鼎医药任命 Charlotte Moser为公司首席医疗官,负责领导全球医学战略

今日(4月25日),致力于为客户提供I至IV期全方位临床开发服务的跨国合同研究组织(CRO)精鼎医药宣布,公司已任命 Charlotte Moser博士出任首席医疗官。

2025-04-25 15:06

强生宣布锐珂(埃万妥单抗注射液)联合化疗方案在华获批,用于EGFR TKI经治后局部晚期或转移性非小细胞肺癌患者治疗 资讯

强生宣布锐珂(埃万妥单抗注射液)联合化疗方案在华获批,用于EGFR TKI经治后局部晚期或转移性非小细胞肺癌患者治疗

强生公司今日(4月25日)宣布,旗下创新治疗药物锐珂®(埃万妥单抗注射液)正式获得国家药品监督管理局批准,与卡铂和培美曲塞联合给药,适用于治疗携带表皮生长因子受体(EGFR...

2025-04-25 15:00

凶险的百日咳,发病率40年新高!专家:婴幼儿需“加速免疫”资讯

凶险的百日咳,发病率40年新高!专家:婴幼儿需“加速免疫”

2024年1至12月全国共报告百日咳近50万例,是2023年的12倍,跃升至近40年来的峰值。

2025-04-25 14:12

《新英格兰医学杂志》发布: 研究证实速福达可将流感病毒家庭传播概率降低32%资讯

《新英格兰医学杂志》发布: 研究证实速福达可将流感病毒家庭传播概率降低32%

罗氏全球今日(4月25日)宣布,速福达®(玛巴洛沙韦)III期临床试验CENTERSTONE研究详细结果在《新英格兰医学杂志》(NEJM)上发布。结果显示研究达到了主要终点:流感感染者单...

2025-04-25 13:34

阿斯利康携手本土创新力量,持续探索非小细胞肺癌联合治疗方案资讯

阿斯利康携手本土创新力量,持续探索非小细胞肺癌联合治疗方案

阿斯利康与石药集团、映恩生物和银珠医药三家本土生物医药公司正式签署临床研究合作协议

2025-04-25 10:58