今天早上再次看到3D打印生物组织移植到人体，3d打印气管救活一个美国婴儿的新闻，南极熊甚为震撼。因为之前看到过3d打印肾脏、耳朵等器官和组织的消息，南极熊就觉得生物3d打印在医学上的应用前景无限。我们试着想象一下：生物3D打印技术足够成熟时，人们可以随时换掉自己身体上的任何一部分，就像汽车坏了，可以随时换掉零件一样。
于是，南极熊便开始了思考，思考一个3d打印器官的技术方法。从一些医学资料可以了解到，器官移植技术不是患者的最大敌人，由于异体移植的免疫排斥反应严重、器官来源少，患者最苦于的是没有合适的供体。肾脏、肝脏、心脏等器官移植被人们所熟知，经常需要移植的器官中，眼角膜也是一个很大比例的部分，由于眼角膜损坏而失明的患者众多。黑夜给了他们黑色的眼镜，他们渴望用来寻找光明，薄薄的眼角膜却像一堵厚厚的墙，把这部分人挡在光明之外。
来和南极熊一起思考3D打印生物器官眼角膜吧！
眼角膜的解剖和生理角膜从结构上可分为5层：上皮细胞层、Bowman层、基质层、Descemet膜、内皮细胞层。相对于其他心脏等复杂器官组织来说，更为简单。好吧，就从眼角膜来试一试。
来和南极熊一起思考3D打印生物器官眼角膜吧！
眼角膜结构图
上皮细胞层
上皮细胞层厚约50微米，易与Bowman层相分离，由5~7层细胞组成，共有3种类型细胞：基底细胞、翼状细胞、扁平细胞。上皮细胞间以桥小体相接，构成致密的质膜，这层致密坚固的屏障可阻止大部分微生物的侵入，阻止泪液中液体和电解质进入基质层，使得角膜处于相对脱水状态。上皮细胞层是角膜抵御外来侵犯的第一道重要防线， 是一种非角化鳞状上皮。
Bowman层（前弹力层）
Bowman层位于上皮基底膜后面，厚约8~14微米。用光镜观察是一层相当均匀的非细胞层，但通过电镜观察，该层是类似基质的特殊层，并非真正的膜，而是表层基质的致密层，由胶原纤维组成，不能与基质层分离。该层不能再生，损坏后会成为不透明的疤痕组织。该层上有小孔，角膜神经由此到达上皮。 前弹力层由胶原纤维构成的无细胞的薄膜，实际并无弹性。作为上皮细胞附着的基础，它受损伤后不能再生，代之以纤维组织。对创伤、机械和感染具有一定的抵抗力。
基质层
基质层占角膜厚度的90%，主要由胶原纤维、粘合物质和角化细胞组成。基质的胶原纤维很规则、均匀，胶原纤维束构成片状，层层紧密相叠，基质层的层状结构使角膜在剥离术中可以相当容易地分离。粘合物质由角朊硫酸盐、软骨硫酸盐组成，充盈纤维及细胞间隙。肿胀的角膜，粘合物质增加，胶原纤维大小无改变。透明、无血管，为排列整齐的相同屈光指数的角膜小体、胶原纤维和粘合物质组成200～250层平行排列的纤维小板，各纤维板层又成十字交叉排列，这就有利于光线通过和屈折。由于没有血管直接供应
。角膜基质层的透明性决定于角膜小体的完整均匀与否。
Descemet膜（后弹力层）
Descemet膜由内皮产生，大约10微米厚，与Bowman层不同，Descemet 膜能轻易从基质层脱离，位于基质层和内皮细胞层之间，为内皮细胞的分泌产物。是一层有弹性、无结构、极有抵抗力的透明薄膜，比较坚韧，对机械张力和微生物有较强的抵抗力，损伤后可以再生。
内皮细胞层
内皮细胞层由一层六角形内皮细胞所形成，厚约5微米，宽18~20微米，直接与房水接触，这层细胞的再生是受限制的，内皮可用角膜内皮显微镜观察或拍摄。出生时内皮细胞密度约3000/mm2，随年龄的增大其密度逐渐下降，至成人阶段细胞密度降为1400-2500/ mm2，同时，其细胞构型亦失去规则的六角形布局。角膜内皮细胞的屏障和主动液泵功能对于角膜保持正常厚度和透明性是极其重要的。
内皮细胞层是由单层六角形扁平细胞镶嵌而成，从生下直至死亡，细胞不能再生，衰老与死亡的细胞留下的位置，靠其他内皮细胞的扩大移行来铺垫。受损后亦由邻近内皮细胞增大、扩展和移行滑动来覆盖。内皮细胞层不断地将基质层中的水分子排入前房，使基质处在脱水状态而保持透明，因此它的功能是否正常，关系到整个角膜能否透明，也是如何保存角膜移植供体材料的重要研究方向。
OK，下面南极熊来谈谈3D打印人眼角膜的技术流程：
（1）准备好角膜组成物
由上面内容可以大概知道，我们需要准备基底细胞、翼状细胞、扁平细胞、胶原纤维、粘合物质、角化细胞、透明薄膜、六角形内皮细胞这几种主要细胞和物质，然后按照眼角膜的3D结构模型进行逐层打印，精度控制在5微米即可。以上各种细胞可以从患者身体其他部分分别提取，或者用干细胞诱导分化，得到结构组成物质。
（2）准备好生物3D打印系统
对于眼角膜这样的生物结构，可以考虑用美国生物3D打印机公司研发的3D Bioplotter ™来进行打印，生物支架材料可以是以下的任何一种或者几种：琼脂（Agar）、聚氨基葡萄糖（Chitosan）、藻朊酸盐（Alginate）、白明胶（Gelatine）、骨胶原（Collagen）、纤维素（Fibrin）.
3D打印生物器官眼角膜
3D Bioplotter 生物3D打印机
也可以参考苏格兰赫瑞瓦特大学开发的基于瓣膜的双喷嘴打印机，可打印高度活细胞。
3D打印生物器官眼角膜
细胞打印系统的方案图
（3）开始打印
技术路线①做好生物支架，打印上填充物质、角膜物质、已分化的细胞，并且加以结合培养。
技术路线②做好生物支架，打印上填充物质、角膜物质、种子细胞及生长因子，在支架上诱导分化细胞，并加以生长培养。
未完，待完善。希望有人提出修改，并把技术方案细化。
之所以选择眼角膜作为生物3D打印的尝试，南极熊觉得有以下几个原因：
①市场需求巨大
②没有血管等，结构比较简单
③细胞和物质组成相对简单
接下来，南极熊将和一些医院、研究所实验室、大学进行联系沟通，看看3D打印人眼角膜技术方案的可行性。欢迎网友参与讨论，并提供这方面的各种资源，包括人脉、设备、技术等。
3D@dddyin.com
南极熊团队，用科技去改变生活，让生活更多彩！（大家可以了解下南极熊的第一个产品：南极熊3D打印笔）
文/南极熊
2013年5月28日
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小熊
发表于 2013-11-26 00:46:13
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