细看3D打印技术如何推动现代医学的进步

　　4. mBio & eLife：利用小型3D球体模型就能够有效抵御结核病

　　近日，来自南安普敦大学等机构的研究人员通过研究开发了一种在实验室用于研究人类机体感染的新型3D模型，文章中研究人员利用静电封装技术制造出了一种小型3D球体，其能够在被结核分枝杆菌(TB)感染的人类细胞中产生密切反映患者机体疾病的状况，相关研究刊登于国际杂志mBio和eLife上。

　　这种新型3D球体能够帮助研究人员深入研究机体感染结核病时所发生的事件，同时研究者也希望基于本文研究结果开发出新型的抗生素疗法和抵御结核病的疫苗。研究者Paul Elkington教授说道，这是结核病研究领域的一项重大研究进展，这种3D球体能够在胶原蛋白基质中被创建以便其看起来和人类肺部非常相似，与此同时也能够产生一种特殊环境来使得治疗患者的特殊抗生素能够有效杀灭引发肺结核的细菌，目前这在其它2D模型系统中还无法实现，这种新系统或将加速研究人员寻找治疗人类结核病新型疗法及开发疫苗的速度。

　　此外，这种新型3D球体结构还能够将整个实验过程延长至三周，是标准2D模型系统的4倍多，还能够为科学家们提供更多信息来阐明患者机体感染的发生过程以及不同干预措施对患者疾病的效果。

　　下一个阶段研究人员希望同位于德班的非洲卫生研究院的研究人员进行合作研究，目前在德班有着较高的结核病发病率，而且研究人员也希望尽快引入这种3D模型来对高风险结核病患者机体的细胞进行深入研究。

　　研究者Elkington补充道，我们很高兴能够对研究进一步扩展，并且联合多个专家开发新一代的实验室系统来用于更多疾病的研究，尤其是那些在资源匮乏国家中比较流行的传染性疾病;同时我们也将利用所开发的新型3D模型来同对临床样本进行研究的工程学和生物学方法进行整合，最终开发出用于研究人类机体感染的全新系统。

　　来自非洲卫生研究院的研究人员Al Leslie博士表示，目前我们同很多传染病专家以及工程师在一起工作，我们坚信通过长期的联合研究定能在结核病领域的研究取得突破性的研究成果，同时我们也希望能够开发出新型疗法来有效抵御结核病的传播，当然本文中所开发的新型3D模型也将会加速我们在抵御致死性疾病传播领域的发现步伐。

　　5. Biofabrication：首次开发出三维生物打印机打印人皮肤

　　在一项新的研究中，来自西班牙马德里卡洛斯三世大学(UC3M)和格雷戈里奥-马拉尼翁综合大学医院(Hospital General Universitario Gregorio Mara?ón)的研究人员与BioDan集团(BioDan Group)合作，开发出一种三维生物打印机原型，从而能够制造出完全功能性的人类皮肤。这种皮肤适用于移植到病人体内或者用于研究或测试化妆品、化工产品和药用物品。相关研究结果近期发表在Biofabrication期刊上，论文标题为“3D bioprinting of functional human skin: production and in vivo analysis”。

　　在这项研究中，研究人员首次证实利用这种新的三维打印技术制造出合适的人类皮肤是可能的。论文共同通信作者、UC3M生物工程与航空航天工程系教授José Luis Jorcano指出这种皮肤“能够被移植到病人体内，或者用于商业环境中大量地测试化工产品、化妆品或药用物品，并且针对这种测试制定出与这些用途相匹配的时间表和价格”。

　　这种新的人类皮肤是利用生物打印制造出的人类器官之一。它具有天然的人类皮肤的组织结构：位于最外面的具有角质层的表皮，起着抵御外部环境的作用;比表皮位于更深处和更厚的真皮。真皮是由产生胶原蛋白的成纤维细胞组成的。胶原蛋白让皮肤具有弹性和机械强度。

　　生物墨水(bioink)是三维生物打印的关键。当利用三维生物打印机制造皮肤而不是墨水盒和彩色墨水时，研究人员使用了携带生物组分的喷射器。根据格雷戈里奥-马拉尼翁综合大学医院研究员Juan Francisco del Ca?izo的说法，“了解如何混合这些生物组分、在什么条件下利用它们开展研究以至于细胞不会发生功能恶化以及如何正确地储存产品，在这种系统中发挥着至关重要的作用。”储存这些生物墨水的行为是由一台计算机控制着的。这台计算机以一种有序的方式将它们储存在打印床上，随后制造出人皮肤。

　　制造这些组织的过程能够以两种方式开展：利用很多细胞制造同种异体皮肤用于工业过程;利用病人自己的细胞制造自体皮肤用于治疗目的，如用于治疗重度烧伤，这种自体皮肤制造方法依具体情况而定。研究人员注意到，“我们仅使用人细胞和组分制造出具有生物活性的皮肤，这种皮肤能够产生它自己的人胶原蛋白，因而避免其他方法中使用的动物胶原蛋白。”这并不是全部，这是因为他们也正在寻找打印其他人组织的方法。

　　这种新技术具有几种优势。BioDan集团首席执行官Alfredo Brisac指出，“这种生物打印方法允许以一种标准化的自动化方法制造皮肤，而且这种方法并不如手工制造那么昂贵。”

　　当前，这种制造方法正在接受不同的欧洲监管机构的审批以便确保制造出的这种皮肤适用于移植到烧伤病人和具有其他皮肤问题的那些病人体内。此外，这些组织能够被用于测试药用物品、化妆品消费者化工产品，毕竟当前的法律要求这种测试不能在动物体内开展。

　　6. Cell Stem Cell:创造人工肾脏可能需要这种技术

　　美国萨克研究所的科学家们最近开发了一种在体外培养肾祖细胞(Nephron Progenitor Cells)的方法，在此之前一些维持肾祖细胞培养的尝试经常失败，培养的细胞或者死亡或者失去发育潜能，无法保持祖细胞状态。

　　肾祖细胞，至少对人类来说，经常只存在于胚胎发育的一个短暂阶段。这些细胞会继续发育形成肾单位，负责血液过滤排出尿液。但是成人体内不存在肾祖细胞，在损伤或疾病状态下，不能生成新的肾脏组织。科学家们认为在实验室中获得肾祖细胞将为研究肾脏发育最终帮助治疗肾脏疾病提供一种新方式。

　　其他科学家曾经使用诱导多能干细胞获得肾祖细胞样细胞，这种方法通常需要花费很长时间，并且很难分离得到比较纯的细胞群体，产生的肾祖细胞样细胞也只能维持较短时间，几天之内就会发育成熟变成成体肾脏细胞，因此一直以来没有稳定的祖细胞群体可供科学研究。

　　在研究伊始，研究人员直接从小鼠胚胎中分离肾祖细胞，开发能够维持祖细胞状态的方法。他们发现如果将细胞培养在3D培养条件下，再加入一些信号分子混合物，就能够长时间稳定维持肾祖细胞状态。随后将这些3D培养的祖细胞转移到其他条件或移植到动物体内可以发育形成具有功能的肾单位样结构。

　　接下来研究人员又利用人类胚胎肾祖细胞以及从干细胞分化得到的人类肾祖细胞找到了适用于人类肾祖细胞培养的方法。他们再一次证明这种方法能够在体外长期维持肾祖细胞。研究人员表示该研究使用的3D培养策略也有可能应用于其他类型祖细胞的培养。他们计划接下来研究培养发育成完整肾脏所需的其他类型祖细胞的方法。如果能够实现对其他类型祖细胞的培养，那距离创造一颗可供移植的人工肾脏将不再遥远。