Does the 3D printer function for transplanting organs?
前景

3D列印機可以列印器官嗎?

2016年,Nature Biotechnology期刊上發表了關於3D列印機列印活體組織結構,甚至將用移植替換病患身上的生病組織的論文。

論文裡指出,美國Wake Forest再生醫學研究院領的研究團隊歷經10多年的研發,終於研究出一台器官列印機(Integrated Tissue–Organ Printer,ITOP),這台列印機利用優化的水性墨水,去保存細胞並促進細胞的健康生長。此外,列印機還在組織結構中列印格狀的微通道(Micro-Channel),這些微通道讓養分和氧氣可以從人體中擴散到列印的組織結構中,讓組織可以在體內存活。

到了2018年,法國的3D生物列印公司Poietis與比利時骨骼組織工程公司Promtheusu已經能合作打印出個人化骨材,幫助骨頭再生。Does the 3D printer function for transplanting organs?

2019年4月,以色列的國立大學,臺拉維夫大學TAU (Tel Aviv University),在《Advanced Science》發表團隊的研究成果——他們利用病患的細胞和生物材料3D列印了界首例 3D 血管化心臟。這與此前3D所能列印的無血管的簡單組織,不可同日而語。

研究人員將脂肪分離成幹細胞,和可以作為「墨水」的非細胞材料。幹細胞進一步分化成心臟或內皮細胞。最後再藉由 3D 生物列印機,逐層構建活體組織,就生產出患者個性化的心臟貼片。接著再透過 CT 掃描技術勾勒出心臟的形狀、血管結構。直到最終「列印」出完整的心臟。

下圖引自全球第一個3D列印的「人造心臟」誕生了

▲ 3D 列印心臟過程。

但這顆心臟,只有兔子心臟大小,要等到可以真正運用到人體,還有許多難關要克服,例如細胞數量、培養時程、還有抽水動能、搏動泵血及與身體協作的能力等等。這些都是當時尚難以跨過的坎。

2019年8月份,全球最權威的科學期刊《Science》刊載美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University)研究團隊的最新論文,團隊用膠原蛋白做為為3D 列印的材料,列印出可真正運作的心臟瓣膜。

研究中,利用一種「FRESH」(Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels)的新技術,克服膠原蛋白無法成功成為列印材料的流質性,讓原本流質的膠原蛋白,可以沉積在凝膠支架中進而固化。

待完成列印後,提高溫度熔化支撐的凝膠,就能完美保存膠原蛋白或細胞構成的印刷結構體。在此之前,所有的生物製造3D技術,並無法複製複雜的 ECM 架構,此團隊不但建構了可以重建的ECM架構,突破了3D 生物列印的技術瓶頸,還開發了開源設計;讓任何有心研究的團體,都可以藉以利用,開發出更低廉的3D列印機。

以上的研究目標都是,有一天真的可以以3D列印出生物組織,成功地移植到人體。

而在2021年3 月,荷蘭拉德邦大學細胞生物學家阿基瓦(Anat Akiva)領銜在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)雜誌的論文中展示了首個骨骼類器官。只是,他們研究出來的類器官,卻不是用列印的,而是走培養的老技術。

研究團隊發現,當他們利用機械模擬人體骨骼形成時期所需要的壓力時,骨髓幹細胞就會轉變為造骨細胞和生長調節骨細胞,並製造骨骼生長所需的蛋白質。這過程也會刺激細胞外間質的生長,整個過程和人體骨骼組織如出一轍。為時4週培養,研究團隊終於成功培養出柱狀編織骨(woven bone)柱狀編織骨是人骨的前期組織。隨後才會替換成更成熟的骨組織。但目前研究,只能培養出前期的柱狀編織骨。

這個骨骼類器官,雖然不能直接移植入人體,但是卻可以用來研究骨骼疾病的病理。例如將病人的骨隨幹細胞拿去培養,進而依據培養出的骨骼前組織,找出病因。

看來,未來的人造器官,到底是培養的好,還是列印的好,恐怕還有一段競逐的路途要前進。

 

 

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