可打印器官是一种人工构造的器械,设计用于器官替换,使用3D打印技术生产。 可打印器官的主要目的是移植。 目前正在对人工心脏,肾脏和肝脏结构以及其他主要器官进行研究。 对于更复杂的器官,例如心脏,诸如心脏瓣膜的较小构造也已成为研究的主题。 一些打印器官正在接近临床实施的功能要求,并且主要包括诸如膀胱的中空结构,以及诸如尿管的血管结构。

3D打印允许特定器官结构的逐层构造以形成细胞支架。 其后可以是细胞接种过程,其中将感兴趣的细胞直接移液到支架结构上。 另外,已经探索了将细胞整合到可打印材料本身中而不是之后进行接种的过程。

已经使用改进的喷墨打印机来生产三维生物组织。 打印机墨盒充满活细胞悬浮液和智能凝胶,后者用于提供结构。 使用标准打印喷嘴打印智能凝胶和活细胞的交替图案,细胞最终融合在一起形成组织。 完成后,将凝胶冷却并冲洗掉,仅留下活细胞。

历史
用于生产细胞构建体的3D打印最初是在2003年推出的,当时的Thomas Boland 克莱姆森 大学 专利使用喷墨打印细胞。 该过程利用改进的点样系统将细胞沉积到放置在基板上的有组织的3D基质中。

自Boland的初步发现以来,生物结构的3D打印(也称为生物打印)已经进一步发展,包括组织和器官结构的生产,而不是细胞基质。 另外,已经研究了更多的打印技术,例如挤出生物打印,并随后作为生产手段引入。

器官打印已成为全球供体器官短缺的潜在解决方案。 已经在临床环境中成功打印和实施的器官是扁平的,例如皮肤,血管,例如血管,或者是空心的,例如膀胱。 当人工器官准备用于移植时,它们通常与受体自身的细胞一起产生。

更复杂的器官,即由固体细胞结构组成的器官,正在进行研究; 这些器官包括心脏,胰腺和肾脏。 何时可以引入这些器官作为可行的医疗方法的估计各不相同。 2013年,Organovo公司使用3D生物打印生产人体肝脏,虽然它不适合移植,并且主要用作药物测试的介质。

途径
研究人员开发了不同的方法来生产活的合成器官。 3D生物打印基于三种主要方法:仿生学,自主自组装和微型组织块的构建。

仿生学
生物打印的第一种方法称为仿生学。 这种方法的主要目的是创建与自然结构相同的结构。 仿生学需要重复器官和组织的形状,框架和微环境。 生物模拟中的生物模拟应用涉及器官的细胞和细胞外部分的相同拷贝。 为了使该方法成功,需要微米级的组织复制。 这种精确度涉及了解微环境,生物力的性质,细胞的精确组织,溶解因子以及细胞外基质的组成和结构。

自组装
生物打印中使用的第二种方法是自主自组装。 这种方法依赖于发育胚胎器官的自然物理过程。 当细胞处于早期发育阶段时,它们会创建自己的细胞外基质构建块,并产生自己的适当细胞信号,并采取提供预期生物功能所需的布局和微架构。 自主自组装需要了解胚胎中组织和器官的发育过程。 自主自组装依赖于细胞能力作为组织发生的基本构建块。 因此,该技术需要非常透彻地了解胚胎组织发育的机制以及组织生长的微环境。

小功能组
生物打印的第三种方法是仿生和自组装方法的组合。 该技术被称为“微型组织”。 器官和组织由非常小的功能组件制成。 迷你面料的方法是采取这些小块,并将它们安排在一个更大的结构。 这种方法使用两种不同的策略。 第一种策略是使用自然图案作为指导,在大规模织物中使用自组装细胞球。 第二种策略是开发准确的复制品和高质量的织物,并允许它们自动安装在大型功能性织物上进行扩展。 这些策略的混合对于打印复杂的三维生物结构是必要的。

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3D打印技术
用于制造人造器官的3D打印一直是生物工程研究的主要课题。 随着3D打印所带来的快速制造技术变得越来越有效,它们在人造器官合成中的适用性变得更加明显。 3D打印的一些主要优点在于其大规模生产脚手架结构的能力,以及脚手架产品的高度解剖精度。 这允许产生更有效地类似于天然器官或组织结构的微结构的构建体。

使用3D打印的器官打印可以使用各种技术进行,每种技术赋予可以适合于特定类型的器官生产的特定优点。 两种最突出的器官打印类型是基于滴剂的生物打印和挤出生物打印。 许多其他的确存在,虽然不常用,或仍在开发中。

基于水滴的生物打印(喷墨)
基于滴剂的生物打印使用指定材料的单个液滴产生细胞构建体,其通常与细胞系组合。 在与基底表面接触时,每个液滴开始聚合,随着各个液滴开始聚结形成更大的结构。 通过在基底上存在钙离子来促进聚合,其扩散到液化的生物链中并允许形成固体凝胶。 基于液滴的生物打印由于其有效的速度而被普遍使用,尽管这方面使其不太适合更复杂的器官结构。

挤出生物打印
挤出生物打印涉及从挤出机(一种移动打印头)中不断沉积特定的打印材料和细胞系。 这往往是用于材料或细胞沉积的更受控制和更温和的过程,并且允许更大的细胞密度用于3D组织或器官结构的构建。 然而,这种技术所带来的较慢的打印速度会降低这些好处。 挤出生物打印通常与UV光结合,UV光使打印材料光聚合以形成更稳定的整合构造。

打印材料
用于3D打印的材料通常由藻酸盐或纤维蛋白聚合物组成,其已与细胞粘附分子整合,其支持细胞的物理附着。 这些聚合物专门设计用于保持结构稳定性并且易于接受细胞整合。 术语“bioink”已被用作与3D生物打印兼容的材料的广泛分类。

打印材料必须符合广泛的标准,其中最重要的是生物相容性。 由3D打印材料形成的所得支架应在物理和化学上适合细胞增殖。 生物降解性是另一个重要因素,并确保人工形成的结构可以在成功移植后分解,由完全天然的细胞结构代替。 由于3D打印的性质,所使用的材料必须是可定制的和适应性的,适用于各种细胞类型和结构构象。

水凝胶藻酸盐已经成为器官打印研究中最常用的材料之一,因为它们是高度可定制的,并且可以微调以模拟天然组织的某些特定的机械和生物特性。 水凝胶根据特定需要定制的能力允许它们用作适应性支架材料,其适用于各种组织或器官结构和生理条件。 使用藻酸盐的主要挑战是其稳定性和缓慢降解,这使得人工凝胶支架难以被分解并被植入细胞自身的细胞外基质取代。 适用于挤出打印的藻酸盐水凝胶通常在结构和机械上也不太合理; 然而,这个问题可以通过引入其他生物聚合物(例如纳米纤维素)来介导,以提供更大的稳定性。 藻酸盐或混合聚合物bi​​oink的性质是可调的,并且可以针对不同的应用和器官类型进行改变。

器官结构
虽然器官打印的许多技术挑战与3D生物打印的其他应用共享,但是为了成功创建可移植的打印器官,必须解决一些器官特异性结构元件。

血管化
营养物和氧气在整个打印器官中的转移对其功能至关重要。 在厚度小于1毫米的非常小或薄的组织中,细胞可以通过扩散接收营养。 然而,较大的器官需要将营养物输送到组织内部较深的细胞,这需要组织血管化,因此能够接收血液以交换货物,如氧气和细胞废物。 早期器官打印技术产生的实体组织无法血管化,或者当宿主血管进入移植物时仅缓慢血管化,导致组织内部的坏死等问题可能威胁到健康并成功恢复移植受体。 最近开发的技术允许创建具有更复杂的3D结构的打印器官,包括预先存在的内部脉管系统,其允许移植物更快地整合到宿主循环系统中。 目前正在开发用于创建血管系统的多种技术。 一种方法是将容器分开挤出打印,然后将其掺入较大的组织中。 另一种方法是牺牲打印,其中整个组织立即打印,并且使用可溶解或可去除的生物粘合剂来形成容器的内部。 一旦通过化学或热方法移除该牺牲支架,则其余组织包含血管图案。

细胞来源
完整器官的创建通常需要结合各种不同的细胞类型,以不同的图案化方式排列。 与传统移植相比,3D打印器官的一个优点是可以使用来自患者的细胞来制造新器官。 这显着降低了移植排斥的可能性,并且可以消除移植后对免疫抑制药物的需要,这将降低移植的健康风险。 然而,由于可能无法总是收集所有需要的细胞类型,因此可能需要收集成体干细胞或在收集的组织中诱导多能性。 这涉及资源密集型细胞生长和分化,并伴随着其自身的一系列潜在健康风险,因为打印器官中的细胞增殖发生在体外,需要外部施用生长因子。 然而,一些组织自组织成分化结构的能力可提供同时构建组织并形成不同细胞群的方式,从而改善器官打印的功效和功能。

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