3D生物打印眼角膜可以实现吗？

南极熊导读：角膜病是继白内障和青光眼之后的第三大致盲原因。据估计，世界上约有500万人双侧角膜失明，另有2300万人是单侧失明。角膜移植是治疗各种角膜相关病症的标准做法，如纤维化、溃疡、角膜炎等。但角膜移植的费用很高，且极易出现移植失败和个体排斥的问题。近年来，生物制造技术正在获得研究者们的大量关注，因为它们有可能直接分层组装三维（3D）生物结构，用于各种生物医学和临床应用的组织制造。其中，3D生物打印，已被广泛研究，可用于制造角膜替代品。

2022年7月，南极熊获悉，Bangalore Bioinnovation Centre的研究者们讨论了可应用于角膜制造的3D生物打印技术，他们的研究已经发表在《Bioprinting》上，题目为《Print me a cornea - Are we there yet?》。

背景
角膜是眼睛最外层的透明保护组织，它将光线传输和折射到视网膜上，从而感知光线。这是通过其独特的球形前部结构实现的，该结构对总屈光力的贡献约为80%。角膜是一个高度专业化的结构，主要由1型胶原蛋白（Col I）组成。胶原纤维相互平行排列，与随后各层的胶原纤维成直角，这赋予了角膜独特的结构特征，使其具有一定的机械强度和透明度。角膜可分为三个不同的层--上皮层、基质层和内皮层。

△眼部结构

据估计，约有1300万名患者需要进行角膜移植，但在受影响的人群中，只有1/70的人得到健康的个人捐赠组织进行移植。此外，角膜移植的等待时间可能在1-24个月之间。为了解决这些局限性，角膜移植(KPro)，即切除受伤的角膜，用合成的人工角膜代替，已被广泛用于替代角膜移植，以治疗严重的眼部疾病。然而，除了其复杂的设计和繁杂的手术程序外，人工角膜的临床使用还会产生一定的并发症和主要风险因素，包括慢性炎症、角膜板层的退化和角膜熔化。

增材制造与传统的减材制造不同，在传统的减材制造中，材料被移除以形成最终结构，增材制造可以对材料进行分层沉积以形成最终结构。三维生物打印是增材制造的一个多学科分支，重点是制造活体组织。

角膜3D生物打印
近年来，各种生物打印和生物制造方法已被研究用于制造人工角膜的替代品。然而，最常采用的方法是基于挤压的打印和基于光的生物打印。

1.挤压式生物打印

△挤压式生物打印

挤压式生物打印是生物打印中最常用的技术，因为它与各种再生医学应用中使用的可注射水凝胶系统兼容。在这种方法中，预聚合的生物材料被挤压到打印平台上，使用加压空气系统进行逐层挤压。

△可生物降解药物输送系统

最近的一项研究在设计和开发一种隐形眼镜式的可生物降解药物输送系统时，采用了基于挤压的生物打印机，可能用于治疗干眼症患者。在这种方法中，研究人员使用以甲基丙烯酸明胶（GelMA）/透明质酸（HA）为基体的生物墨水进行3D打印，并通过紫外线交联产生生物相容性的构建体，用于控制释放一种抗生素（托布拉霉素）。结果显示，该构建体在第14天后仍然保留了约40-50%的质量，从而展示了此款高度可扩展的药物释放系统的前景，用于治疗各种眼部疾病，包括干眼。

2.基于光的生物打印

基于光的3D生物打印主要包括DLP打印、基于SLA的打印和激光辅助打印（LAP）。在基于光的打印中，光的精确投射使材料聚合，具有很高的打印分辨率、准确性和速度。由于其具有相对温和的打印条件，所以这项技术对细胞友好，因此，适合打印具有高细胞活力的活细胞

●基于DLP的生物打印技术已被用于制造高通量制造角膜干/祖细胞（LSC）。研究人员已经开发了两种与基于DLP的生物打印兼容的生物墨水，一种是基于GelMA的，另一种是来自HA的，以产生微观的水凝胶支架。

●SLA是另一种有前景的基于光的生物打印，已被用于角膜基质的再生。研究人员利用可见光介导的SLA和GelMA作为生物墨水，制造出类似于角膜基质的解剖学上的圆顶形结构。最终的打印结构具有良好的机械性能和透光性，可与原生角膜基质组织相媲美。

●LAP已被用于制造角膜上皮和角膜基质。在LAP中，激光束为能量源，可将生物墨水沉积在生物相容性表面上。研究人员已经开发了基于重组人层粘连蛋白和Col I的生物墨水。此外，人类胚胎干细胞衍生的角膜缘上皮干细胞（hESC-LESCs）可被用来制造类似角膜上皮的分层结构，而hAdMSCs被用来制造分层的角膜基质等等价物。两种类型的细胞在打印后都表现出良好的细胞活力，并保持了角膜细胞的形态特征。

总结与展望

三维生物打印作为一种关键的生物制造技术，是一个非常有前景的技术，可用于制造工程化的角膜组织等价物，以解决一些临床适应症，包括穿透性角膜成形术、前板层角膜成形术和内皮角膜成形术。角膜的生物制造已经得到了明智的探索，它是一个相对简单的多层组织。作为角膜最复杂和最困难的组成部分，基质是各种生物打印技术的目标。

制造的基质替代物必须具有足够的机械特性，约为 300 kPa，与天然组织的机械特性相当。此外，支架降解的速度必须与基质组织的体内周转率一致，基质才能成功重建。另一个重要的考虑因素是生物制造的结构在其体内寿命过程中不应引起任何显着的炎症反应。生物打印结构必须与宿主组织顺利融合并促进神经再支配，因为这对于基质的营养支持是必要的。

从生物材料的角度来看，由天然聚合物制成的水凝胶可以注入合成微纤维支架中。虽然水凝胶成分促进细胞粘附和增殖，但微纤维网格状结构刺激基质胶原蛋白的有序沉积，这对于角膜组织的再生至关重要。这种结构还提供了良好的光学和机械性能。

此外，由于角膜基质干细胞 (CSSC) 在本质上是同种异体的，它们增加了触发宿主免疫反应和移植排斥的可能性。在角膜生物打印方面，在生物墨水中加入外泌体可以构建相关的角膜类似物，这些角膜类似物可用作体外模型来研究疾病病理生理学和测试新药物，或用于体内临床移植。

作者预计，通过工程师、科学家和临床医生之间的协调努力，组织再生和生物打印技术已经取得了快速的进步，预计十年，将实现临床相关的全层角膜等效物的制造。他们认为，完整的临床前评估、临床评估和监管许可最终将为生物打印角膜打开大门，以使数百甚至数百万患有各种眼表病的人恢复视力。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bprint.2022.e00227

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