原创医学参考报干就有未来
撰文│梅天笑
编辑│郑天慧
审校│汤红明
干细胞贴片是利用3D生物打印技术，将各种生物活性材料（即生物墨水）做为载体，使不同来源的干细胞按照一定的空间顺序排列形成细胞片层结构，是目前治疗心梗的有效方法之一，可准确覆盖在心肌梗死区域，提高干细胞的停留率与存活率，避免干细胞的过多流失，从而提高治疗效果，增强心肌修复功能。生物墨水则为移植干细胞的存活提供良好的生存环境，是提升干细胞贴片治疗效果的关键。
心力衰竭是由于心脏结构和功能异常导致的心室充盈和射血功能受损，是一种复杂的临床综合征。心肌梗死（心梗）是导致心力衰竭最常见的原因。干细胞能有效减少心梗后瘢痕组织的形成，增加心功能输出。临床前研究表明，由于干细胞移植后会出现细胞的快速丢失，干细胞治疗心梗功能整合尚未解决。干细胞贴片是利用3D生物打印技术（图1），将各种生物活性材料（即生物墨水）做为载体，使不同来源的干细胞按照一定的空间顺序排列形成细胞片层结构。干细胞贴片是目前治疗心梗的有效方法之一，相比较于单细胞注射，贴片可更准确地覆盖在心肌梗死区域，提高干细胞的停留率与存活率，避免干细胞的过多流失，从而提高治疗效果，增强心肌修复功能。
图13D生物打印示意图。（a）细胞贴片制作流程，可用于体内移植、药物筛选和作为体外疾病模型；（b-e）四种不同的生物打印方式，包括喷墨式打印、激光打印、挤出式打印及立体光刻式打印。
一、生物墨水的特性
3D生物打印过程中，生物墨水具有一定的生物物理特性、良好的生物相容性并可在体内降解吸收，为移植干细胞的存活提供了良好的生存环境。最理想的生物墨水与体内细胞生长环境，即细胞外基质（ECM）相一致或相似。干细胞和ECM相互作用形成复杂的网架结构，对组织发生和细胞生理活动有着重要的调节功能。目前，生物墨水需具备以下特性。
一是机械性能。足以承受自然组织所施加的力，有弹性、可生物降解；
二是可打印性。具有可打印的特性（例如适当的粘度、交联机制），能够承受印刷过程中施加的力（比如剪切力），打印后具有结构保真度，与预期目标一致或基本一致；
三是生物相容性。材料植入人体后无毒性；打印后具有高细胞活性，促进细胞黏附、生长和增殖；具有良好的多孔性，以促进营养物质的运输。
二、生物墨水的材料
目前，常用的生物墨水材料可分为天然材料和合成材料。
（一）天然材料
胶原。胶原是一类结构性蛋白，在动物体内含量很高，是ECM重要的组成部分。胶原具有免疫原性低、生物相容性好、可生物降解等优点，在组织工程和再生医学领域得到广泛应用。
明胶。明胶是胶原部分水解得到的产物，与胶原同源，结构组成与ECM相似。明胶在体内可生物降解、水溶性较好、生物相容性良好、不易引起免疫反应，其溶液具有温度敏感性，在低温下凝固成胶状，高温时溶化为液体。明胶及其复合物已广泛应用于3D生物打印。但基于明胶的温敏性，存在使用耗时且不稳定的问题。因此对明胶进行适当改性可增加其应用范围。使用光敏性的甲基丙烯酰酐对其改性，利用紫外光照射促进明胶和甲基丙烯酰酐的共价交联。这种被甲基丙烯酰化的明胶，即GelMA，具有广阔应用前景。光交联过程中，可根据目标物体的相关理化性质通过控制甲基丙烯酰酐的浓度来控制交联强度，使得GelMA的应用范围很广泛。
海藻酸盐。海藻酸盐是一种从天然藻类褐藻中提炼得到的天然多糖，与ECM的糖胺聚糖组成相似，可在常温常压条件下迅速凝胶化，不产生有毒物，对生物组织没有毒副作用，被广泛应用于生物打印。
透明质酸。透明质酸是一种酸性粘多糖，为两个双糖单位组成的大型多糖，不含硫。透明质酸具有多种重要的生理功能，能调节血管壁通透性、调控蛋白质、协助物质扩散转运、促进关节润滑，具有较高临床价值，可用于各类眼科手术、关节炎治疗及加速伤口愈合。
（二）合成材料
聚乙二醇。聚乙二醇是由环氧乙烷与乙二醇或水逐步反应聚合而成的聚醚，具有无毒、无刺激性、较好的水溶性、良好的生物相容性、较低的免疫原性与诸多有机物良好的相溶性，可通过肾排泄，在体内不累积，广泛应用于生物医学领域。
聚乳酸。聚乳酸也称聚丙交酯，属于聚酯一族。聚乳酸具有热稳定性好、抗溶剂性好、可生物降解、生物相容性好、有光泽、透明、触感好，还具有一定的耐菌性、阻燃性及抗紫外性，可接受多种加工方式，具有广泛的应用途径。聚乳酸生产来源丰富，可通过玉米、木薯等发酵制得乳酸。聚乳酸生产主要依靠微生物发酵和化学聚合反应，生产过程无污染，废弃产品可生物降解，实现物质循环，是理想的绿色高分子材料。
聚己内酯。聚己内酯属于聚合型聚酯，是由金属有机化合物催化ε-己内酯、二羟基或三羟基等引发剂条件下开环聚合而成。无毒性，在多种极性有机溶剂中溶解性较好。在体内与生物细胞相容性、有机高聚物相容性、生物降解性皆良好。可与多种常规塑料兼容，还具有良好的形状记忆温度控制性质，广泛应用于药物载体、增塑剂、可降解性塑料、塑性材料的生产加工以及纳米材料领域。
聚醚醚酮。聚醚醚酮是分子主链中含有链节的线性芳香族高分子化合物。聚醚醚酮具有很好的耐热性、化学稳定性、成型加工性和阻燃性，作为耐热性能优良的热塑性树脂，它可以作为高性能复合材料的基体材料。纯聚醚醚酮的性能已经难以满足不同行业发展的不同需要，所以在特定的环境下需要对聚醚醚酮进行改性。
三、展望
干细胞贴片是干细胞与生物墨水的一个三维复合体，是具有生命力的组织，可对心梗部位进行结构和功能的重塑并达到永久性替代。在干细胞贴片应用过程中，生物墨水的使用增加了贴片整体的厚度，提高了细胞片体内移植应用的可操作性；生物墨水中的活性成分有利于细胞与细胞间的有序连接，为干细胞的增殖、分化提供更接近于体内的生长环境。不同生物材料的性质会影响干细胞在其上贴附、增殖、分化及旁分泌等一系列的生物学活性，因此，生物墨水的选择尤其关键。人工合成材料力学性能较好，生物活性较差，而天然材料生物学活性较好，但力学性能和机械特性较差，单一的水凝胶支架尚不能满足需要，目前研究热点集中在多材料复合支架方面。具有良好生物相容性、可降解性、低免疫原性、促细胞黏附和增殖特性的生物医用材料是当下干细胞贴片治疗心梗研究的重点方向。
专家简介PROFILE
梅天笑
研究实习员
医院再生医学研究所刘中民教授课题组研究实习员。曾前往美国WakeForestUniversity医学院学习新一代3D生物打印技术。近两年以第一或共一作者身份在BiomaterialsScience、ACSAppliedMaterialsInterfaces、AnalyticalMethods、NanoLIFE发表过论文。协助团队提交了4项发明专利申报和1项临床研究备案。参与国家自然科学基金、上海市科委项目等课题。
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