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
为你推荐
资讯 正式发布的“十五五”规划纲要中的“医药健康”
3月13日,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十五个五年规划纲要》发布,明确了2026-2030年我国经济社会发展的战略方向,医谷网现将“医药健康”相关辑录如下。
2026-03-14 21:37
资讯 成人阻塞性睡眠呼吸暂停诊治指南(2025)发布会暨OSA个体化治疗研讨会在京圆满召开
2026年3月13—14日,由《中华医学杂志》社有限责任公司、《中华结核和呼吸杂志》编委会主办的“成人阻塞性睡眠呼吸暂停诊治指南(2025)发布会暨OSA个体化治疗研讨会”在北京圆满召开。
2026-03-14 18:21
资讯 全球首个侵入式脑机接口医疗器械获批上市
今日,国家药监局发布消息,国家药监局批准了博睿康医疗科技(上海)有限公司植入式脑机接口手部运动功能代偿系统创新产品注册申请,实现脑机接口医疗器械全球首发上市,标志着...
2026-03-13 17:39
资讯 康龙化成与礼来达成口服GLP-1小分子药Orforglipron生产合作协议
3月11日晚间,康龙化成官方微信发布消息,康龙化成与礼来公司共同宣布,达成关于首个申报注册的口服小分子GLP-1受体激动剂Orforglipron的生产合作协议。
2026-03-12 21:56
资讯 美国 FDA 批准颂狄多(氘可来昔替尼)用于治疗活动性银屑病关节炎成人患者
颂狄多是一种口服选择性酪氨酸激酶 2(TYK2)抑制剂,也是首个获批用于 PsA治疗 的 TYK2 抑制剂
2026-03-12 16:53
资讯 百时美施贵宝宣布口服药物mezigdomide治疗复发或难治性多发性骨髓瘤Ⅲ期研究SUCCESSOR-2的积极结果
这是mezigdomide首项获得积极结果的Ⅲ期研究,也是百时美施贵宝CELMoD项目第二项获得积极成果的Ⅲ期研究
2026-03-11 21:15
资讯 备思复联合帕博利珠单抗使顺铂耐受的肌层浸润性膀胱癌患者的复发或死亡风险降低近 50%
在 III 期临床研究 EV-304 中,该联合疗法显著改善患者总生存期与病理完全缓解率,超半数患者在手术时未检测到病灶
2026-03-11 13:17
资讯 降 HbA1c 超 2.5%且多重获益,华东医药国产降糖新药HDM1005降糖2期数据揭晓
本次研究为一项在饮食和运动或二甲双胍治疗后血糖控制不佳的2型糖尿病受试者中评价HDM1005注射液有效性和安全性的多中心、随机、盲法、平行、安慰剂和阳性对照的Ⅱ期临床研究
2026-03-10 19:38
资讯 艾凯生物完成A3轮超亿元融资,加速AI驱动iPSC细胞治疗与类器官平台升级
本轮融资由知壹投资与沃杰资本联合领投,联新资本持续追加投资,资金将重点用于推进AI驱动的iPSC细胞治疗产品临床转化,加速完善iPSC细胞治疗与类器官两大核心技术平台布局。
2026-03-10 18:22
资讯 中科搏锐斩获数千万B轮融资,推动脑机接口全产业链产业化落地
本轮融资由国内知名投资机构三泽创投独家投资,凯乘资本担任长期独家财务顾问,所筹资金将全力支撑公司深化脑机接口全产业链布局,加速尖端技术的临床转化与产业化落地。
2026-03-10 18:03
资讯 入选不足4月,和黄医药申请将达唯珂移出首版商保创新药目录
国家医疗保障局办公室今日发布通知,自2026年3月9日起,撤销氢溴酸他泽司他片(商品名:达唯珂)在全国各省级医药采购平台挂网资格,并根据企业申请,将该药品移出《商业健康保...
2026-03-09 22:09
资讯 CDE:抗肿瘤药物生物等效性及药代动力学比对研究受试者人群选择考虑
本指导原则主要基于小分子化学药物及单抗类药物的研究经验,为抗肿瘤药物 BE PK 比对研究中受试者人群的选择考虑提供建议。
2026-03-07 10:59









