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

新诺威名称变更为石药创新资讯

新诺威名称变更为石药创新

6月16日晚间,新诺威发布公告称,公司证券简称由新诺威变更为石药创新,证券代码“300765”保持不变,变更日期为2026年6月17日。

2026-06-17 09:13

第四届诺华中国患者日举办,照亮更有温度的患者支持生态资讯

第四届诺华中国患者日举办,照亮更有温度的患者支持生态

6月16日,第四届诺华中国患者日在上海成功举办。

2026-06-16 19:03

第106批仿制药参比制剂目录资讯

第106批仿制药参比制剂目录

经国家药品监督管理局仿制药质量和疗效一致性评价专家委员会审核确定,现发布仿制药参比制剂目录(第一百零六批)。

2026-06-16 16:18

武田制药公布Oveporexton新关键性研究数据资讯

武田制药公布Oveporexton新关键性研究数据

在第40届美国联合专业睡眠学会年会(SLEEP 2026)上公布的3期研究次要及探索性终点结果进一步显示,Oveporexton在广泛的日间及夜间症状方面带来改善

2026-06-16 12:58

兆科眼科硫酸阿托品滴眼液澳洲上市注册申请获受理资讯

兆科眼科硫酸阿托品滴眼液澳洲上市注册申请获受理

6月15日,兆科眼科发布公告称,公司就其用于减慢儿童近视加深疗法的硫酸阿托品滴眼液(0 02%剂量,产品代码:NVK002)提出的注册申请已获澳洲Therapeutic Goods Administrati...

2026-06-16 10:53

和铂医药和百图生科宣布联合成立AI医药公司资讯

和铂医药和百图生科宣布联合成立AI医药公司

6月15日,和铂医药和百图生科联合宣布,双方将建立全面战略合作伙伴关系,联合创立一家面向全球市场的新型AI管线研发公司MegaStream Techbio。

2026-06-16 10:25

陪审团认定安进故意侵权,和铂医药最高可获6060万美元赔偿资讯

陪审团认定安进故意侵权,和铂医药最高可获6060万美元赔偿

今日,和铂医药(02142 HK)发布公告,美国特拉华州联邦地区法院的陪审团就和铂医药针对安进公司(Amgen Inc )及其子公司Teneobio, Inc (以下合称“安进”)提起的专利侵...

2026-06-15 21:28

应对超重肥胖严峻挑战,辉瑞新一代GLP-1埃诺格鲁肽头对头研究验证临床优势资讯

应对超重肥胖严峻挑战,辉瑞新一代GLP-1埃诺格鲁肽头对头研究验证临床优势

超重与肥胖已是全球不可忽视的公共卫生挑战。

2026-06-15 19:58

年内创新药上市企业最大回购计划资讯

年内创新药上市企业最大回购计划

港股上述企业,中国生物制药(正大天晴为其旗下公司)今日发布公告,2026年6月12日,公司董事会决议通过一项股份购买计划,将视市场情况于未来12个月以不超过20亿港元总价在公开...

2026-06-15 15:56

拜耳研发开放日:共探医药创新未来资讯

拜耳研发开放日:共探医药创新未来

“拜耳研发开放日”活动近日在拜耳·亦庄开放创新中心举办。

2026-06-15 12:18

蚂蚁阿福拍皮肤功能升级,试水“AI+医生把关”协作模式资讯

蚂蚁阿福拍皮肤功能升级,试水“AI+医生把关”协作模式

6月15日, "蚂蚁阿福 "宣布“拍皮肤”功能升级:可识别皮肤病种类从50种增至100多种,覆盖99%的线上就医常见皮肤问题。

2026-06-15 11:27

再鼎医药ADC药物注射用维替索妥尤单抗获批资讯

再鼎医药ADC药物注射用维替索妥尤单抗获批

6月9日,再鼎医药宣布国家药品监督管理局(NMPA)已批准缇乐注射用维替索妥尤单抗)的生物制品上市许可申请(BLA)。

2026-06-15 09:23

即将获批的“老花眼”滴眼液被云顶新耀收购资讯

即将获批的“老花眼”滴眼液被云顶新耀收购

6月8日,云顶新耀(01952 HK)发布公告,宣布与箕星药业达成资产收购协议,获得LNZ100(1 44%醋克利定,美国商品名VIZZ)在大中华区(包含中国大陆、中国香港、中国澳门和中国...

2026-06-14 19:25

百奥泰永和工厂EU GMP检查,存在偏差管理相关措施不到位的问题资讯

百奥泰永和工厂EU GMP检查,存在偏差管理相关措施不到位的问题

百奥泰今日发布公告称,公司于2026年2月4日至2月12日接受了法国国家药品与健康产品安全局(ANSM)针对欧盟药品生产质量管理规范(EUGMP)符合性的现场检查。

2026-06-14 16:21

化学仿制药药学研究重大缺陷情形有哪些,触及将不予批准,资讯

化学仿制药药学研究重大缺陷情形有哪些,触及将不予批准,

药品审评中心在审评过程中发现存在重大缺陷的, 不再要求注册申请人补充资料,基于已有申报资料作出不予批准的审评结论。

2026-06-14 10:21

创新医疗器械自膨式单铆可降解房间隔缺损封堵器获批资讯

创新医疗器械自膨式单铆可降解房间隔缺损封堵器获批

近日,国家药品监督管理局批准了上海锦葵医疗器械股份有限公司“自膨式单铆可降解房间隔缺损封堵器”创新产品注册申请。

2026-06-13 20:25

全球首发,首个基础胰岛素/GLP-1RA周制剂诺和杰即将在中国率先上市资讯

全球首发,首个基础胰岛素/GLP-1RA周制剂诺和杰即将在中国率先上市

作为诺和诺德“中国同创”项目的重要里程碑,诺和杰的3期临床研究COMBINE 1由北京大学人民医院纪立农教授牵头开展。这是诺和诺德历史上首次由中国专家担任全球首席研究者的国际...

2026-06-13 20:11

诺未生物完成亿元 B 轮融资,加速 HPV 治疗性核酸新药临床开发进程资讯

诺未生物完成亿元 B 轮融资,加速 HPV 治疗性核酸新药临床开发进程

所募资金将重点用于加速其全球首创 HPV 治疗性核酸药物 NWRD08 的 Ⅱ 期临床试验推进、扩大临床研究中心布局、完善 GMP 生产基地建设以及下一代创新管线的研发储备。

2026-06-12 15:41

ERA 2026重磅数据发布:耐赋康携23项最新研究,持续领跑IgA肾病对因治疗赛道资讯

ERA 2026重磅数据发布:耐赋康携23项最新研究,持续领跑IgA肾病对因治疗赛道

IgA肾病是我国最常见的原发性肾小球疾病,高达75%的患者会在20年后进展至肾衰竭,长期以来,临床缺乏靶向病因的精准治疗方案。

2026-06-12 14:11

诺华盐酸阿曲生坦降价53%,冲击今年国谈资讯

诺华盐酸阿曲生坦降价53%,冲击今年国谈

6月9日,四川省药械招标采购服务中心发布《川药招〔2026〕124号 关于公示部分药品降价的通知》,共涉及228个药品减价,其中,诺华用于治疗IgA肾病的盐酸阿曲生坦位列其中,每盒3...

2026-06-12 13:16