通過3D生物打印技術(shù)，科學(xué)家們已經(jīng)可以在體外得到各種人體器官和組織工程支架。但是想要把它們植入人體中，讓它們發(fā)揮應(yīng)用的作用，就必須要對患者進(jìn)行手術(shù)，暴露目標(biāo)部位。然而手術(shù)總是會給患者帶來不同程度的傷口，甚至對患者造成二次傷害，這與當(dāng)今臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展理念背道而馳。醫(yī)生和患者都希望盡可能地減少手術(shù)帶來的傷口和痛苦，因而醫(yī)學(xué)界急需一種無創(chuàng)3D生物打印技術(shù)。
基于數(shù)字化光處理（DLP）的3D生物打印技術(shù)具有生物相容性好、高細(xì)胞活性、打印精度高、打印速快的優(yōu)點(diǎn)。但是傳統(tǒng)的DLP 3D生物打印技術(shù)都是基于紫外或藍(lán)光引發(fā)的光聚合反應(yīng)開發(fā)的，這使其皮膚透過性較差，無法直接引發(fā)皮膚下的單體聚合。雖然目前可以通過混合上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNP）和紫外光活性的光引發(fā)劑實(shí)現(xiàn)近紅外光引發(fā)聚合，但是裸露的UCNP會造成紫外光泄露，降低引發(fā)速率并對人體造成傷害。
近日，四川大學(xué)生物治療國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的茍馬玲研究員、錢志勇教授和魏霞蔚教授團(tuán)隊(duì)在無創(chuàng)3D生物打印技術(shù)上做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。
其核心為核殼結(jié)構(gòu)的近紅外活性光引發(fā)納米粒子（UCNP@LAP），通過將紫外光活性的光引發(fā)劑苯基(2,4,6-三甲基苯甲?；?磷酸鋰鹽（LAP）靜電吸附在UCNP表面而非簡單混合，研究團(tuán)隊(duì)大大降低了此類引發(fā)劑的紫外光泄露，在提高了光利用率的同時(shí)，還保證了引發(fā)劑的生物安全性?；谶@種納米光引發(fā)劑，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了數(shù)字近紅外生物打印技術(shù)（DNP），通過連接有數(shù)控微鏡裝置（DMD）的3D生物打印平臺，紅外光被引向注射了單體、細(xì)胞和納米光引發(fā)劑的皮下組織，從而實(shí)現(xiàn)皮下3D原位生物打印。
無創(chuàng)3D生物打印平臺
無創(chuàng)3D生物打印的基本流程如圖1所示。3D生物打印的原材料（納米光引發(fā)劑、單體和組織細(xì)胞）通過注射的方式固定在目標(biāo)位置，DMD系統(tǒng)在接收到來自控制臺的CAD設(shè)計(jì)圖后，對近紅外光進(jìn)行調(diào)制，然后投射到對應(yīng)的皮下組織內(nèi)，激活納米光引發(fā)劑，從而實(shí)現(xiàn)原位無創(chuàng)聚合。基于納米光引發(fā)劑的上轉(zhuǎn)換特性，傳統(tǒng)的生物相容性水凝膠單體都可通過近紅外光照射引發(fā)聚合。
納米光引發(fā)劑的表征及聚合活性
傅里葉紅外光譜（FTIR）、透射電子顯微鏡（TEM）和能量色散X射線光譜（EDX）分析結(jié)果表明LAP成功吸附在UCNP表面（圖2A、B），熱重分析結(jié)果表明LAP的負(fù)載量為12 wt%（圖2C）。通過對比LAP的吸收光譜和UCNP的上轉(zhuǎn)換發(fā)光光譜可以發(fā)現(xiàn)在980 nm近紅外光激發(fā)下，UNCP的紫外釋放峰值（320和380 nm）與LAP的紫外吸收區(qū)域有較好的重疊，并且UCNP@LAP的紫外釋放消失，證明該引發(fā)劑在近紅外光下具有良好的光吸收效率（圖2D）。將不同濃度的納米光引發(fā)劑UCNP@LAP（0.5、1、2 wt%）用于15 wt%的甲基丙烯酰化明膠（GelMA）的聚合反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提高引發(fā)劑濃度、延長聚合時(shí)間以及增加紅外光功率均可提高單體的反應(yīng)程度（圖2E、F）。
DNP技術(shù)用于3D生物打印的可行性
為論證基于納米光引發(fā)劑構(gòu)建的DNP技術(shù)用于無創(chuàng)3D生物打印的可行性，研究人員首先在體外用常用的生物材料GelMA為打印墨水，以逐層打印的方式打印了多種不包含細(xì)胞的微結(jié)構(gòu)（圖3A）。為進(jìn)一步模擬在體內(nèi)打印的情況，研究人員又將老鼠皮膚或豬的肌肉組織覆蓋在生物墨水上，再進(jìn)行打?。▓D3C）。試驗(yàn)結(jié)果表明組織下打印結(jié)構(gòu)完整，形狀誤差控制在12.1%。最后，研究人員將不包含細(xì)胞的生物墨水注射到BALB/c小鼠皮下，進(jìn)行了體內(nèi)實(shí)驗(yàn)（圖4）。在打印1天及7天后，打印結(jié)構(gòu)及周圍的組織仍保持完整，并且沒有顯示出明顯的副作用，證明了DNP技術(shù)的3D無創(chuàng)打印具有應(yīng)用于臨床治療的潛力。
基于DNP的非侵入式體內(nèi)原位打印
由先天畸形或外傷導(dǎo)致的耳廓缺損對患者的生理和心理有嚴(yán)重傷害。此類先天畸形在全球范圍內(nèi)的發(fā)病率約為萬分之0.83 – 17.4，并且亞洲人發(fā)病率更高。這一疾病的治療手段包含了人造耳廓的體內(nèi)移植，因而可能造成醫(yī)源性損傷。采用DNP技術(shù)，可以直接在體內(nèi)生成相應(yīng)的耳廓結(jié)構(gòu)，從而避免了手術(shù)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。研究人員采用小鼠作為模型，通過DNP在小鼠皮下無創(chuàng)打印了包含軟骨細(xì)胞的耳廓形結(jié)構(gòu)，該過程耗時(shí)僅20 s。在一個(gè)月后，支架結(jié)構(gòu)保持良好，并且軟骨細(xì)胞不斷成長，形成了可用于器官重構(gòu)的耳廓結(jié)構(gòu)。
脂肪干細(xì)胞（ASC）具有治療由鈍器造成的閉合性組織損傷的潛力。通過DNP技術(shù)，可以在傷口處原位形成包含ASC的組織支架，有助于傷口愈合。研究人員采用帶有肌肉閉合性損傷的BALB/c小鼠為模型，采用DNP技術(shù)在傷口處打印了包含ASC的組織支架，在十天后，小鼠的傷口明顯愈合，并且H&E染色結(jié)果表明該支架對組織無副作用。
結(jié)論
DNP技術(shù)對于無創(chuàng)的體內(nèi)3D生物打印的發(fā)展具有重要意義。生物墨水通過諸如注射和灌注等無創(chuàng)的方式遞送至目標(biāo)位置，其聚合和打印則通過具有良好生物穿透性的近紅外照射平臺實(shí)現(xiàn)。因其無創(chuàng)的特性，該方法將大大推動3D生物打印技術(shù)在臨床上的應(yīng)用。
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