然而，获得配对机会、伦理问题以及捐赠和移植在安全性、质量和有效性上的巨大差异都是持续存在的问题。患者的需求得不到满足，加上缺少合适的移植器官，在全球范围导致很多悲剧。根据美国政府有关器官捐赠和移植方面的信息，共有 109,000 名男性、女性和儿童正在等待移植，并且每 9 分钟就会新增一位(1)。

想象一下如果能培育出用于移植的替换心脏或肝会怎么样，想象一下能够拯救的生命以及能够带给患者及其所爱之人的幸福。这就是组织工程学的基本理念，而组织工程学势必在未来几年内引起医疗干预界的彻底改革。 

我们将在本文对组织工程学和 3D 生物打印进行介绍，同时探讨在这个振奋人心的医学研究新领域，明胶在每个阶段可以发挥的多种重要作用。

风琴3D打印

什么是组织工程学？

组织工程学是将细胞和载体材料 — 通常称为支架 — 结合起来的总称。生物分子或机械性刺激还可以用于为细胞创造支持性环境，从而提供功能性支持，最终实现移植。在人体组织中，细胞由复杂的细胞外基质 (ECM) 提供支持。胶原蛋白是构成 ECM 的主要结构要素，提供拉伸强度、有助于细胞粘附，支持细胞趋化、细胞迁移和组织发育。因此细胞通过各种表面受体与 ECM 相互作用，这些相互作用对维持细胞功能有很重要的作用。作为一种胶原蛋白衍生产品，明胶自然在各个工艺步骤的组织工程学中有重要作用。

 

要制造组织工程结构，科学家通常需要经过 3 个步骤：

1.通常，所有操作都从靶细胞的体外扩增培养开始，不管是干细胞、原代分离细胞还是细胞系，通常在传统的组织培养盘上进行。根据细胞来源，这个步骤有一定挑战，例如粘附困难和/或细胞（通常是原代细胞）增扩，甚至功能丧失。在这个阶段，可用罗赛洛X-pure® 至纯明胶涂覆在组织培养表层，为细胞提供细胞识别动机，以预防或减少这类问题。此外，罗赛洛X-pure® 至纯明胶的内毒素含量极低 (< 10 Eu/g)，例如能够干扰细胞分化和扩增的 LPS。

 

2.一旦细胞达到足够数量，细胞将与载体或者支架结合起来。载体材料称为生物材料。这些生物材料具有生物相容性，专为治疗或诊断目的制备。预期材料特性很大程度上取决于设想的最终结构。预期材料特性包括生物相容性、细胞相互作用、可调物理化学性质和生物降解性。根据最终目标产品，可以通过在载体上种植细胞或在材料中封装将细胞和材料结合起来，从而模拟细胞的 ECM 环境。

作为胶原蛋白衍生产品，明胶在这个阶段是一个优良选择。它们可以扮演多种角色：

  • 可用作涂层，与另一生物材料载体的细胞相互作用、相互支持。罗赛洛X-pure® 明胶是能够实现这一目标的优良选择（参见扩增的包被步骤）
  • 作为一种交联水凝胶，它可以用作支架或载体本身。

罗赛洛提供 X-pure® 明胶和改性明胶，用于与水凝胶交联以进行细胞接种。可用我们提供的 X-pure® GelMA 进行封装，这是一种纯化的（低含量内毒素和甲基丙烯酸）改性明胶，允许生物相容的交联，从而实现细胞封装。我们的产品质量高，再生性强，并具有高度可调的物理化学特性和降解率，这些特性使得它们成为载体材料的优良选择。

用于3D生物打印的明胶

3.这个阶段之后，结构通常就会经历最后的培育步骤。该步骤可在静态或动态条件下完成，具体取决于设想的最终结构/组织。一个目标就是让细胞生长并形成组织，另一个目标是实现细胞分化，以发挥其最终功能。通常通过将结构暴露在机械性和/或化学刺激中实现目标。无论在动态条件还是静态条件。最后这一步还能确保打印组织具有适当的结构或功能完整性，从而在移植后能存活。

 

一般来说，遵循组织工程学中的这些步骤可以培育出可移植的结构。根据最终目标，这个范围从制造简单的结构，提供特定细胞类型的移植载体，到创建一个由多种细胞类型组成的复杂的全功能组织，以试图模拟组织微结构。如需提高复杂程度或实现一定的精确度，组织工程师通常会采用 3D 生物打印技术，这是组织工程学中非常专业化的部分。

 

3D 生物打印在组织工程学中的作用？

您或许听说过“3D 打印”，即打印物理对象的过程。简答说，3D 生物打印是打印组织和器官等生物元件的过程。和普通 3D 打印一样，3D 生物打印也是从电脑生成的蓝本开始一层层打印的。然而，3D 生物打印的不同之处在于使用的是活细胞和生物材料（例如甲基丙烯酰胺基明胶 — GelMa）而不是塑料。

开始打印复杂组织之前，先选择最佳的生物墨水。生物墨水是生物相容性生物材料和特定细胞类型的结合，具体取决于设想的替换组织。生物墨水的选择和制造是第一个关键步骤，通常需要针对不同靶细胞/组织进行微调。选择的生物材料应具有生物相容性和特定的机械特性，同时允许嵌入细胞和所在环境交换营养和氧气。为此，水凝胶特别适合用于打印。

生物打印视频

首次选择参数之后，将生物墨水装入墨盒中，准备打印。根据计算机软件中规定的设计参数，打印机可以生成初始蓝本确定的结构。复杂性范围可能从由一种类型的生物墨水组成的单一墨盒装置到由多种细胞类型和/或生物材料组合组成的多个墨盒。通常来说，打印过程也要求进行一定程度的微调并反馈到生物墨水选择参数中，以获得从打印和细胞生物相容性两个角度来说都完美的生物墨水。

得益于其多功能性和可调的物理化学特性，明胶可用于开发高低两种粘度的明胶基生物墨水。凝胶可用温度控制，获得生物打印过程中材料的最优流变特性。

为了在可控的生物降解过程中制备出在生理温度下具有良好机械稳定性的生物打印水凝胶，我们开发了一种改性明胶，即甲基丙烯酸酐化明胶酐 (GelMA)。GelMA 可以在可控条件下通过添加交联试剂进行交联凝胶。GelMA 可能是最常用和研究最多的生物打印专用明胶。作为一种生物墨水成分，它是理想选择，因为它能够降低粘度和凝胶性这两个特性可能对打印结构产生不良影响。此外，它的化学结构上类似于天然组织结构的细胞外基质，这意味着细胞可以轻松进入组织并重新组成活体结构。总之，GelMa 是一种多功能生物材料，可用于生物打印以获得具有高结构清晰度和形状的生物相容细胞负载结构，从而使科学家能最大限度利用它的独特属性。

总的来说，3D 生物打印是一种振奋人心的新技术，并且已经成为组织工程学的重要部分。希望有一天科学家能够打印出心脏和肝等复杂器官，可用来拯救生命并提高重大疾病和受伤患者的生活质量。

为什么要使用 Rousselot 的组织工程学专用产品？

即使具有上述独特属性，但明胶和 GelMA 的使用仍然面临着存在内毒素（脂多糖）或残留甲基丙烯酸 (MA) 等杂质的挑战。这些杂质的存在可能对研究质量产生不良影响。如果用于人体，它们还可能导致组织炎症，对其他过敏原的敏感性增加，在极端情况下甚至可能导致致命性休克。因此，必须选择 X-Pure® 至纯明胶和改性明胶等由罗赛洛专门开发以解决这些挑战的纯化生物材料。

 

X-Pure GelMA

罗赛洛的 X-pure® 明胶和 X-pure® GelMA 具有以下优势：

  • 生物相容性。极低的被身体排斥的可能性。
  • 低抗原性。纯化明胶的内毒素含量低，意味着它不太可能引起免疫反应。
  • （可调）生物降解性。这意味着明胶能够被身体自然吸收。
  • 可调的物理化学性。明胶可以进行特殊改造，以适应多种应用。  
  • 成本效益高。明胶非常丰富，意味着它能帮组织工程师降低成本。
  • 历史悠久，值得信赖的生物材料。明胶是 Rousselot X-pure® 系列产品的原材料，在胶囊等众多药物应用以及止血剂和血浆代用品等医疗应用中具有超过一个世纪的使用历史。
  • 符合高安全性和合规性标准。这有助于确保工程化组织的整体安全性。 

罗赛洛的产品使科学家能充分利用明胶的独特属性，并能顺利进行可复制、可靠的原创科学研究，从而为扩大临床试验规模做好准备。

有兴趣了解我们的 3D 生物打印专用纯化明胶吗？

(1) 2020 年器官捐赠统计数据，可于 2020 年 12 月 17 日在< https://www.organdonor.gov/statistics-stories/statistics.html 上查看