機械系徐弢課題組以“體內原位製造”助力腔道組織的修復再生


清華新聞網8月31日電 人體內腔道覆蓋消化道、呼吸道、生殖道、尿路等多個豐富系統,由於病變、遺傳等原因,這些內腔道組織可能出現損傷或者發育不全,需要進行手術干預,其中結合內鏡技術的體內原位修復是一種理想的治療方式,但一直缺乏有效手段。

比如,消化道中胃壁損傷是常見的消化道疾病,根據統計數據,全球約有12%的人患有不同程度的胃壁損傷。對於該疾病,現有的治療方案包括保守藥物治療、外科手術治療等,這些手段均存在一定侷限性。原位生物打印技術,是指將生物細胞直接遞送至損傷部位進行組織修復的一項技術,為治療該疾病提供了一種潛在的方案。但現有的生物打印設備體積較大,目前開展的原位生物打印僅能針對淺表組織如皮膚進行修復。

清華大學機械工程系生物製造中心徐弢教授課題組率先提出了體內原位生物打印的概念,並通過微型打印機器人+內窺鏡的方式驗證了該概念的可行性,向治療胃壁損傷邁出了第一步,在《生物製造》(Biofabrication)上發表了題為“面向體內原位打印的初步工程化探索:針對胃部創傷原位打印的一種新型的微型打印平台”(Preliminary engineering for in situ in vivo bioprinting: a novel micro bioprinting platform for in situ in vivo bioprinting at a gastric wound site)的文章。

圖1  體內原位打印示意圖,以治療胃壁損傷為例

基於清華大學機械工程系在生物製造、微型機器人、3D打印等交叉領域的傳統優勢和研究積澱,在這項研究中,博士生趙文祥在徐弢教授指導下開發出一種可以安裝到內窺鏡上的微型生物打印平台。該打印平台具有Delta構型,利用PC-MEMS技術實現微型化,具有體積小、響應速度快的優點。打印平台通過內窺鏡進入人體,並在到達損傷部位後開展組織修復,實現體內的原位打印。為模擬胃的解剖結構,以人胃上皮細胞和人胃平滑肌細胞作為生物墨水,在胃模型中打印出分層的組織支架。後續細胞培養結果表明,打印後的細胞在組織支架中保持較高的存活率和穩定的增殖能力,具有良好的生物學功能。

圖2  體內原位打印設備 (A)(B)(C)在胃模型中開展原位打印

(D)(E)為打印的組織支架

圖3  打印後的細胞具有良好的生物學活性 (A)細胞隨時間穩定增殖 (B)細胞具有高成活率 (C)胃上皮細胞和胃平滑肌細胞在組織支架中明顯分層

這項工作不僅在生物打印領域,而且在臨牀治療的方法上都展現了創新性的進步。該技術目前引起了包括《每日科學》(Science Daily)等數十家國內外媒體報道,同時,來自北京協和醫院、成都華西醫院、廣州婦幼兒童中心的多位臨牀外科大夫在第一時間瞭解到該技術,並對其創新性進行了充分肯定。

論文第一作者是機械工程系生物製造實驗室博士生趙文祥,通訊作者為徐弢教授。

這項研究已經證實了體內原位打印概念的可行性。未來,通過進一步優化生物打印平台的性能、開發適配體內特殊環境的生物墨水、開展層次豐富的生物功能驗證,將極大促進該項技術的發展。

論文鏈接:

//iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/aba4ff

供稿:機械工程系

編輯:李華山

審核:程曦

2020年08月31日 09:21:39  清華新聞網

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