大家應該都聽說過隔空打牛、隔空取物。那你們有沒有聽說過隔空造物？
接觸過3D打印的應該聽說2019年發表在Science上炫酷技術，只需要光一照即可成品，實現了隔空造物。但是直接應用到人體內還有一定的困難，下面給大家介紹的是一項來自四川大學研究人員的關于使用3D打印隔空打印生物組織！
圖自Science
三維（3D）打印技術是一種先進的增材制造技術，在制造個性化或復雜的結構并具有廣泛的醫療應用方面具有優勢。生物打印，即利用含有生物墨水的細胞來打印組織或器官等活體障礙物，在推進醫學，特別是再生醫學方面具有巨大的潛力。當前，常用的3D生物打印系統包括噴墨打印，擠出打印，光輔助打印和激光直接書寫。
目前，用于3D打印的大尺寸產品的體內應用策略僅限于在暴露的創傷處進行手術植入或原位3D打印，兩者都需要暴露應用部位。然而，臨床治療的主要趨勢是微創或無創方法。對于皮膚下的內傷，手術暴露的外傷會損壞周圍的組織，從而引起繼發性傷害。同時，對于整形外科，非常需要無創方法。現有的3D打印技術無法很好地滿足這些重要的臨床要求，這促使科學家開發無創3D打印技術，該技術可以無創地將組織覆蓋的生物墨水制成定制產品，包括活體組織原位構建。
基于數字光處理（DLP）的3D生物打印技術，這是一種光輔助生物打印方法，由于其后期打印的高細胞活力以及出色的打印速度和分辨率而備受關注。目前，它已被合理地用于多種組織的重建或修復，包括脊髓、周圍神經和血管損傷。常規地，利用紫外線（UV）或藍光通過光聚合來輔助生物打印。然而，由于不良的組織穿透能力，難以將UV或藍光用作無創制造的工具。近紅外（NIR）光可以穿透深層組織，并已在藥物控釋、光動力療法、光熱療法、活體成像、三維圖像可視化和活體光遺傳學等方面有著廣泛的應用。此外，類似于紫外線或藍光，NIR光具有引發光聚合的潛力。NIR誘導的光聚合為體內無創制造提供了一種轉化方法。NIR誘導的有效光聚合的精確控制可將組織覆蓋的生物墨水無損制造為結構化產品，并可能在臨床或醫學研究中應用。
成果簡介：
有鑒于此，基于數字近紅外光聚合（digital NIR photopolymerization，DNP）工藝的設計，四川大學茍馬玲、錢志勇、魏霞蔚等人開發了一種無創的體內3D生物打印系統。在此系統中，通過輸入計算機輔助設計（CAD）模型，數字NIR由連接的數字微鏡設備（DMD）芯片動態生成，并及時投影以無創地誘導局部注入的生物墨水逐層進行空間聚合。沒有手術植入，就可以在體內成功產生定制的活組織構造。這項工作將為3D打印研究開辟新途徑，并推動無創醫學領域的發展。相關成果發表在Science Advacnes上。
整體思路
在這項技術中，近紅外光束被DMD及時調制，然后通過透鏡投射為定制的圖案中。圖案化的NIR穿透皮膚，以誘導皮下注射的含細胞單體溶液的空間聚合。通過納米引發劑（UCNP@LAP），可以有效地引發常用的生物相容性水凝膠單體，例如明膠甲基丙烯酰基（GelMA），以在NIR輻射下聚合。將圖像按順序輸入計算機后，含有細胞作為生物墨水的單體溶液可以無創性地打印到體內定制的組織結構中。
示意圖
納米引發劑的設計
在DNP工藝中，研究人員設計了納米引發劑，即涂有UV /藍光光引發劑苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸鋰（LAP）的上轉換納米顆粒（UCNP），并稱為UCNP@LAP。設計的動機是，在NIR輻照下提供從UCNPs發射的上轉換UV光子的納米引發劑被LAP吸收，以引發光敏單體聚合并避免UV對細胞的有害作用。實驗表征表明，設計的UCNP@LAP納米顆粒可以作為引發劑來引發NIR誘導的常用水凝膠單體聚合。
圖|納米引發劑表征
下面咱們來直接看體內效果：
通過體外實驗驗證了可行性之后，研究人員在體內研究了無創體內3D打印中DNP工藝的前景性。將50μl前體溶液皮下注射到BALB/c小鼠中后，CAD模型的數據通過計算機發送到DMD芯片中，以創建定制的NIR模式以在體內聚合單體溶液。結果表明，打印后1或7天，周圍組織具有完整的組織結構，沒有明顯的炎癥和異常缺陷。而且，通過DNP在體內成功地無創地印刷了包括三角形、十字形和兩層蛋糕狀水凝膠構建體的三種類型的結構。這表明DNP工藝具有進行非侵入性體內3D生物打印的潛力。
圖|基于DNP的體內3D生物打印無細胞構建體
組織重建或修復
接著，研究人員使用該技術來重建和修復器官。他們嘗試使用DNP工藝在體內無創地制備了定制的耳朵樣活體構建體。另外，還無創地打印了一個含有脂肪干細胞的保形支架成功地促進體內肌肉缺陷的愈合。這些結果表明，基于DNP的無創體內3D生物打印技術具有原位制備復雜組織用于器官重建的潛力，而醫源性損傷最少，且在閉合損傷治療的組織修復中具有潛在的應用。
圖|無創3D生物打印耳狀組織
圖|修復肌肉缺損的保形ASC支架
小結：
這項工作演示了基于DNP的生物打印系統，在這個系統中，可以使用UCNP@LAP納米粒子引發的NIR聚合逐層制造復雜的構建體。通過該系統，可以從皮下注射的生物墨水在體內無創印刷活體定制的構建體，用于器官重建或組織修復，顯示出潛在的臨床應用。這項工作為無創體內3D生物打印提供了概念驗證，這將為醫學3D打印打開新的途徑并推動微創或無創醫學的發展。
參考文獻：
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
