隔空造物！四川大学苟马玲/钱志勇/魏霞蔚等人利用上转换纳米粒实现体内无创定制活组织！

小奇

2020-06-09

大家应该都听说过隔空打牛、隔空取物。那你们有没有听说过隔空造物？

接触过3D打印的应该听说2019年发表在Science上炫酷技术，只需要光一照即可成品，实现了隔空造物。但是直接应用到人体内还有一定的困难，下面给大家介绍的是一项来自四川大学研究人员的关于使用3D打印隔空打印生物组织！

图自Science

三维（3D）打印技术是一种先进的增材制造技术，在制造个性化或复杂的结构并具有广泛的医疗应用方面具有优势。生物打印，即利用含有生物墨水的细胞来打印组织或器官等活体障碍物，在推进医学，特别是再生医学方面具有巨大的潜力。当前，常用的3D生物打印系统包括喷墨打印，挤出打印，光辅助打印和激光直接书写。

目前，用于3D打印的大尺寸产品的体内应用策略仅限于在暴露的创伤处进行手术植入或原位3D打印，两者都需要暴露应用部位。然而，临床治疗的主要趋势是微创或无创方法。对于皮肤下的内伤，手术暴露的外伤会损坏周围的组织，从而引起继发性伤害。同时，对于整形外科，非常需要无创方法。现有的3D打印技术无法很好地满足这些重要的临床要求，这促使科学家开发无创3D打印技术，该技术可以无创地将组织覆盖的生物墨水制成定制产品，包括活体组织原位构建。

基于数字光处理（DLP）的3D生物打印技术，这是一种光辅助生物打印方法，由于其后期打印的高细胞活力以及出色的打印速度和分辨率而备受关注。目前，它已被合理地用于多种组织的重建或修复，包括脊髓、周围神经和血管损伤。常规地，利用紫外线（UV）或蓝光通过光聚合来辅助生物打印。然而，由于不良的组织穿透能力，难以将UV或蓝光用作无创制造的工具。近红外（NIR）光可以穿透深层组织，并已在药物控释、光动力疗法、光热疗法、活体成像、三维图像可视化和活体光遗传学等方面有着广泛的应用。此外，类似于紫外线或蓝光，NIR光具有引发光聚合的潜力。NIR诱导的光聚合为体内无创制造提供了一种转化方法。NIR诱导的有效光聚合的精确控制可将组织覆盖的生物墨水无损制造为结构化产品，并可能在临床或医学研究中应用。

成果简介：

有鉴于此，基于数字近红外光聚合（digital NIR photopolymerization，DNP）工艺的设计，四川大学苟马玲、钱志勇、魏霞蔚等人开发了一种无创的体内3D生物打印系统。在此系统中，通过输入计算机辅助设计（CAD）模型，数字NIR由连接的数字微镜设备（DMD）芯片动态生成，并及时投影以无创地诱导局部注入的生物墨水逐层进行空间聚合。没有手术植入，就可以在体内成功产生定制的活组织构造。这项工作将为3D打印研究开辟新途径，并推动无创医学领域的发展。相关成果发表在Science Advacnes上。

整体思路

在这项技术中，近红外光束被DMD及时调制，然后通过透镜投射为定制的图案中。图案化的NIR穿透皮肤，以诱导皮下注射的含细胞单体溶液的空间聚合。通过纳米引发剂（UCNP@LAP），可以有效地引发常用的生物相容性水凝胶单体，例如明胶甲基丙烯酰基（GelMA），以在NIR辐射下聚合。将图像按顺序输入计算机后，含有细胞作为生物墨水的单体溶液可以无创性地打印到体内定制的组织结构中。

示意图

纳米引发剂的设计

在DNP工艺中，研究人员设计了纳米引发剂，即涂有UV /蓝光光引发剂苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂（LAP）的上转换纳米颗粒（UCNP），并称为UCNP@LAP。设计的动机是，在NIR辐照下提供从UCNPs发射的上转换UV光子的纳米引发剂被LAP吸收，以引发光敏单体聚合并避免UV对细胞的有害作用。实验表征表明，设计的UCNP@LAP纳米颗粒可以作为引发剂来引发NIR诱导的常用水凝胶单体聚合。

图|纳米引发剂表征

下面咱们来直接看体内效果：

通过体外实验验证了可行性之后，研究人员在体内研究了无创体内3D打印中DNP工艺的前景性。将50μl前体溶液皮下注射到BALB/c小鼠中后，CAD模型的数据通过计算机发送到DMD芯片中，以创建定制的NIR模式以在体内聚合单体溶液。结果表明，打印后1或7天，周围组织具有完整的组织结构，没有明显的炎症和异常缺陷。而且，通过DNP在体内成功地无创地印刷了包括三角形、十字形和两层蛋糕状水凝胶构建体的三种类型的结构。这表明DNP工艺具有进行非侵入性体内3D生物打印的潜力。

图|基于DNP的体内3D生物打印无细胞构建体

组织重建或修复

接着，研究人员使用该技术来重建和修复器官。他们尝试使用DNP工艺在体内无创地制备了定制的耳朵样活体构建体。另外，还无创地打印了一个含有脂肪干细胞的保形支架成功地促进体内肌肉缺陷的愈合。这些结果表明，基于DNP的无创体内3D生物打印技术具有原位制备复杂组织用于器官重建的潜力，而医源性损伤最少，且在闭合损伤治疗的组织修复中具有潜在的应用。

图|无创3D生物打印耳状组织

图|修复肌肉缺损的保形ASC支架

小结：

这项工作演示了基于DNP的生物打印系统，在这个系统中，可以使用UCNP@LAP纳米粒子引发的NIR聚合逐层制造复杂的构建体。通过该系统，可以从皮下注射的生物墨水在体内无创印刷活体定制的构建体，用于器官重建或组织修复，显示出潜在的临床应用。这项工作为无创体内3D生物打印提供了概念验证，这将为医学3D打印打开新的途径并推动微创或无创医学的发展。

参考文献：

Chen Y, et al. Noninvasive in vivo 3D bioprinting. ScienceAdvances. 2020;6(23):eaba7406.

DOI:10.1126/sciadv.aba7406

https://advances.sciencemag.org/content/6/23/eaba7406