《中国新材料研究前沿报告2021》增材制造材料——增材制造生物医学材料

作者：黄卫东、王理林、王猛
来源：日新材料

4.1.4 / 增材制造生物医学材料
生物医学材料（Biomedical Materials），又称生物材料，是用于临床诊断、治疗、修复、 替换人体组织 / 器官或增进其功能的新型高技术材料，与人类健康息息相关。生物材料科学与工程总是与其终端医疗产品（一般指医用植入体）密不可分，通常谈及生物材料，既指材料自身，也包括医用植入器械。近年来，为满足组织器官移植及组织损伤修复的巨大且迫切的临床需求，复杂组织器官“活性”再造与“功能”重建已成为生物材料领域的研究热点与难点。而生物增材制造技术因具有个性化、高仿生、高精度等突出优势，能够满足生物材料对高度仿生及结构精细制造等的复杂要求，为解决上述难题带来了新技术与新方法，在生物材料领域得到广泛应用。

4.1.4.1　生物增材制造工艺与装备研究进展
增材制造生物医学材料的发展同生物增材制造工艺与装备的发展密不可分。当前主流的打印工艺主要包括：喷墨生物打印、挤出生物打印、激光辅助生物打印、光固化打印等，用于打印骨、软骨、骨骼肌、皮肤、神经、血管、肝脏等组织器官。为了进一步提升生物增材制造打印精度、细胞存活率等，扩展生物增材制造技术与生物医学材料的应用可能性，各国科研机构与企业不断探索创新工艺，涌现出原位打印、体内制造和复合制造等一批新技术。

生物增材制造技术作为世界医疗领域的研究前沿与热点，获得了全球众多研究机构的高度关注及各国政府的重视与支持。目前，全球已有超过 300 家专门从事生物增材制造工艺 / 装备研究和开发的研究机构和公司。生物增材制造工艺方面国际上主要有美国 Wake Forest 再生医学研究院、美国普林斯顿大学、哈佛大学 WYSS 学院、新加坡国立大学等高校 / 研究机构，国内则有清华大学、浙江大学、杭州电子科技大学、中国科学院深圳先进技术研究院等 高校 / 研究所。生物增材制造设备研究方面国际上主要有美国 Organovo 公司、德国 Envision TEC 公司、日本 Cyfuse Biomedical 公司、瑞典 Cellink 公司等企业，国内主要有广州迈普公司、杭州捷诺飞公司等企业。各高校 / 机构、企业纷纷围绕生物增材制造工艺、装备等核心问题进行攻关，使得生物增材制造技术得以快速发展。

为了确保生物医用材料增材制造工艺研究的顺利开展，国际上围绕增材制造装备的打印方式、打印精度、打印功能等方面开展了创新研制，并取得了多项成果。2018 年，哈佛医学 院研究人员开发出一种基于立体光刻的生物打印平台，用于多材料制造异质水凝胶构造。该新型微流体装置能够在不同（细胞负载的）水凝胶生物炭之间快速切换，以实现逐层多材料生物打印 [177]。2019 年，瑞典 Cellink 公司宣布推出 BIO X6，该装备负载新型的六打印头生物 3D 打印系统，可在六个不用的位置同时使用不同的压力、温度和方法进行打印。2020 年， 荷兰 3D 打印机制造商 FELIXprinters 发布了新型生物 3D 打印机 FELIX BIOprinter，该装备配备了可以挤出多种黏度材料的强劲电机，可适用于所有类型的生物 3D 打印研究，其可以分配黏度高达 64000cP（动力黏度，1cP=10-3Pa·s）的各种黏性材料，并具有从液体到糊剂材料和生物油墨的挤出能力。

在生物打印工艺方面也取得了丰富的研究成果。2018 年，韩国成均馆大学开发了一种创新的细胞打印工艺，辅以微流体通道，核壳喷嘴和低温处理，以获得载有细胞的 3D 多孔胶原支架，利用此工艺开发的 3D 多孔生物医学支架在冷冻保存 2 周后，支架中的细胞（成骨细胞样细胞或人脂肪干细胞）显示出良好的活力，在组织工程应用方面具有巨大潜力 [178]。同年，韩国理工大学研究了一种新的挤出生物打印技术，可以同时创建异构、多细胞和多材 料结构，并利用此技术制造了异质的组织样结构，如脊髓、肝小叶、血管和毛细血管，与均相和异质细胞打印相比，异质模型显示出良好的肝小叶结构和更高的 CYP3A4 酶活性 [179]。2019 年，哈佛大学的 Jennifer Lewis 教授团队开发出一种全新的生物 3D 打印方法：功能性组 织中直接打印牺牲材料（SWIFT）工艺，采用器官构建块（OBBs）作为打印基底，使用其独创的 SWIFT 打印技术在其中打印用于形成复杂血管通道的牺牲材料。后续通过温度变化， 使得细胞外基质溶液凝胶固化，以方便洗脱牺牲材料，在组织中形成血管通道 [180]。同年， Albanna 等利用喷墨原位打印工艺，采用纤维蛋白原 / 胶原 + 自体角化细胞 / 成纤维细胞进行修 复，研究结果显示伤口闭合提前 3 周，伤口收缩减少 50%，再上皮化加速 4 ～ 5 周 [181]。2020 年，瑞士洛桑联邦理工学院的 Matthias P. Lutolf 课题组创新性提出了 BATE 打印技术（Termed Bioprinting-Assisted Tissue Emergence），使用干细胞和类器官作为自发的自组织构建单元，这 些构建单元可以在空间上排列以形成相互连接且不断进化的细胞结构，从而实现对类肠道组织、多细胞复杂组织的打印，为干细胞和再生医学提供新的方法，为工程化自组织（Self- Organization）、功能化组织甚至多种组织组合提供了强大的工具 [182]。同年，基于熔融静电直 写和挤出式打印的复合制造技术，荷兰乌得勒支大学团队完成了骨、软骨多层结构的打印， 成功构建软硬组织交接的界面，并且骨、软骨和交界处的力学性能均可调控以实现更好的仿生效果 [183]。

4.1.4.2　生物墨水研究进展
全球生物墨水领域的创新技术和产品日新月异，天然高分子材料（明胶、透明质酸、硫 酸软骨素、葡聚糖、海藻酸、壳聚糖、肝素等）、人工合成材料（聚乳酸、聚己内酯、聚羟基乙酸、乳酸 - 羟基乙酸共聚物、多臂聚乙二醇等）及多种干细胞（胚胎干细胞、神经干细胞等）等生物 3D 打印原材料已实现广泛应用，相关原材料产业化程度较好。但为突破可打印生物材料（又称“生物墨水”）种类匮乏对生物增材制造技术在医学材料领域应用的限制， 各研发团队根据打印产品功能化、与打印工艺的匹配等需求，攻关传统生物墨水不稳定、生物活性差等应用瓶颈，开展材料的功能化改进等技术研究，致力于开发更多具有特殊性能的 新型生物墨水，不断扩充增材制造生物墨水库，进一步拓展生物增材制造技术在医用材料领 域的应用，目前已在生物自组装材料、响应型材料、功能型材料等新型生物墨水方向进行技 术研究与开发。

2018 年，宾夕法尼亚大学研究人员开发出一种微凝胶生物墨水（包括 NorHA、PEGDA、 琼脂糖流变生物墨水），该墨水在打印时允许流动，在沉积时能快速凝固，并可通过二次交联进一步稳定，可用于细胞打印、异质打印、二次交联等，具有较大的应用潜力 [184]。2020 年，加州大学的 Ali Khademhosseini 教授和 Nureddin Ashammakhi 教授团队开发了一种可在细 胞包载初期自发产生氧气的 GelMA 基 3D 打印生物墨水，通过向 GelMA 墨水中添加过氧化 钙（CPO）及过氧化氢酶以持续产生氧气，提高了细胞的存活率，该 CPO-GelMA 墨水为水 凝胶 3D 细胞培养过程中氧气无法及时供应而导致封装细胞活性差的问题提供了新的解决思 路 [185]。2020 年，瑞典隆德大学瓦伦堡分子医学中心的 Nathaniel S.Hwang 研究团队制备了一 种由天然聚合物海藻酸盐组成、并用脱细胞化的细胞外基质（dECM）增强生物活性的组织 特异性复合生物墨水，可用于打印人类呼吸道上皮祖细胞和平滑肌细胞组成的气管空腔结构， 该研究为下一代组织特异性生物墨水的研发奠定了基础，并使生物 3D 打印组织应用于临床移植成为可能 [186]。2021 年，莱斯大学的 Antonios Mikos 教授团队发明了一种使用光敏明胶 纳米粒子作为胶体构建单元，可 3D 打印且具有形状记忆功能的新型生物墨水，纳米粒子之间存在非共价相互作用，胶体凝胶可以形成为可挤出和自修复的墨水，因此可在室温下打印， 并通过紫外线照射使 3D 打印体稳定化 [187]。

4.1.4.3　增材制造生物医学材料开发及功能性组织重建
（1）增材制造生物医学材料在组织修复领域的研究进展
通过生物增材制造技术构建的软、硬组织工程支架已在组织修复领域取得广泛应用，如 3D 打印骨植入物等硬组织修复产品及人工硬脑膜等软组织修复产品。当前各国专家学者仍在不断尝试通过引入各类活性因子、优化打印工艺、开发新型生物墨水等方法，探索更加高效的软、硬组织修复生物医学材料。

2019 年，美国加州大学圣地亚哥分校的 Chen Shaochen 教授课题组和 Tuszynski 课题组 合作，采用微尺度连续投影光刻法（μCPP）3D 打印了高精度的脊髓修复支架，种植神经祖 细胞（NPC）的脊髓支架在脊髓损伤模型内可以支持轴突再生，帮助损伤脊髓实现修复 [188]。2020 年，韩国浦项科技大学的 Dong Woo Cho 课题组利用生物增材制造技术开发了含脱细胞 基质 dECM 的水凝胶 +PU-PCL 半月板支架，为半月板再生提供组织特异性与微环境，具有极好的生物相容性、力学性能与生物学功能；同年，该课题组使用旋转复合 3D 打印方法制 造了含脱细胞基质 dECM 的水凝胶 +PCL 支架，用以解决炎症反应，促进再生微环境，是一 种有前途的放射性食管炎治疗策略 [189]。2021 年，哈佛大学医学院的 Su Ryon Shin 教授团队 基于 GelMA 水凝胶材料，开发了一种封装血管内皮生长因子（VEGF）的智能伤口修复支 架，装饰有光敏和抗菌四足氧化锌（t-ZnO）微粒，通过紫外 / 可见光照射激活 t-ZnO，可实 现 VEGF 的智能释放，具有良好的促伤口愈合性能 [190]。

（2）增材制造生物医学材料在组织器官重建领域的研究进展
利用增材制造技术构建的微组织产品在国际上较早实现了商业化应用，目前已成功打印并在动物体内实现了皮肤、尿道、软管、膀胱、肌肉和阴道等器官和组织的移植，且部分组 织移植后可长出血管，正在准备临床试验以推进人体组织 / 器官的产业化进程。当前，国际上专家学者专注于通过活细胞打印构建体外组织器官、模型等并实现功能重建，已取得显著成效。

2019 年，美国卡耐基梅隆大学的 Adam W. Feinberg 教授团队构建了具有良好生物学功 能再现的胶原心脏，可实现心室具有同步收缩（不再是一个补片）、定向动作电位传播，以及收缩期间心室壁增厚 14% 等功能 [191]。2019 年，美国莱斯大学的 Jordan Miller 教授与华盛顿大学的 Kelly Stevens 教授利用高精度的光刻 3D 打印技术提供了复杂的血管化网络结构的 构建方法，实现了对大尺寸类肺结构的打印，实现了对肺呼吸功能的模拟 [192]。2020 年，美国乔治华盛顿大学的 Grace Zhang 课题组采用可光聚合的生物墨水材料体系，利用立体光刻 （SL）3D 打印工艺构建“肿瘤 - 血管 - 骨”异质组织模型，探究乳腺癌细胞转移机制 [193]，韩国浦项科技大学的 Kunyoo Shin 教授团队以基质成纤维细胞、内皮细胞等作为生物墨水材料， 构建了人体膀胱组装体，药理学检测显示，该组装体的刺猬通路活性与体内成体膀胱的活性 相近，表明该人体膀胱组装体重现了上皮细胞与基质之间功能的相互作用 [194]。