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生物3D器官打印——人工角膜

发布日期:2021/4/21 18:43:12

据世卫组织估计,目前全球有超过1000万人需要通过手术来避免因沙眼引起的角膜炎致盲,同时还有超过490万人正遭受角膜损伤带来的失明[1]。尽管有各种渠道的捐献,角膜数量的空缺仍在不断扩大。目前,虽然有通过高分子材料制作人工角膜的报道,但其造成的人体排异反应尚未得到解决。因此,通过在体外培养角膜内皮细胞获得人工角膜就成了更为实际的解决方案。


图1  世卫组织2019年眼部报告


为了得到理想形状的角膜,Connon课题组将细胞培养与生物3D打印结合,尝试通过3D打印的方式构造角膜结构,提高角膜成形精度。
 
因角膜独特的穹顶形状,且对弧面的光滑度要求较高,所以传统3D打印所使用的柱状支撑材料难以满足要求。因此Connon课题组想到使用一个模具基底,在打印角膜前就固定于打印平台中,使构建的角膜直接成形于弧面基底上。通过有限元法,Connon课题组构建了一个角膜模型,并利用数字三维建模软件在一个方块基底上“挖去”角膜的形状,得到目标模具基底。

图2 构建模具基底的步骤:A) 置于平面上的人类角膜;B) 用有限元法构建角膜模型;C) 填平角膜模型以计算挖去的体积;D) 构建方块基底;E) 挖去角膜的形状;F) 实际得到的基底模具,合适的大小能够正好被固定于培养皿中。




第二步,Connon课题组在模具基底上打印角膜。为了能够尽可能地提高打印精度,课题组成员使用了胶原(Collagen)与海藻酸盐(Alginate)配制而成的低粘度的生物墨水,但随之而来的难题是低粘度墨水难以堆积形成具有高度的成品。为此,课题组预先在模具基底上填充了明胶胶浆(Gelatine Slurry),使打印过程实际在胶浆中完成。打印完成后可以通过简单的加热后处理去除明胶,获得完整的角膜成品。为了能够使打印过程更为清晰,课题组还在生物墨水中添加了台盼蓝染色剂。

图2 打印角膜的过程:A) 在基底模具上填充明胶胶浆(Gelatine Slurry);B) 实际打印过程(使用regenHU生物3D打印机挤出式打印头完成);C) 打印后位于基底模具上的角膜;D) 后处理后的角膜(红圈部分)





在完成角膜打印后,课题组成员也对其进行了生物活性测试。通过荧光检测的方式,计算得到打印后1天细胞成活率为92%,7天细胞成活率为83%。

图3 打印后细胞成活率



该文献的发表证明了使用低粘度生物墨水完成角膜的3D打印是可行的,结合体外培养和飞速发展的医学相关技术,相信在不久的将来,3D打印的角膜将逐渐被临床所接受使用。

 

[1] World Health Organization. World report on Vision[J]. 2019.

[2] Abigail I, Stephen S, Connon C J. 3D bioprinting of a corneal stroma equivalent[J]. Experimental Eye Research, 2018, 173:188-193.



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