未来角膜不用等英国科学家3D打印首批人造

吴涵—

角膜盲是仅次于白内障的第二大致盲眼病，角膜移植是治疗角膜盲最有效的方法，然而角膜供体来源匮乏严重限制角膜移植手术的开展。据WHO统计，全球约有万人正在等待手术移植治疗，其中万人已因角膜瘢痕等疾病而完全失明。面对角膜材料短缺和需求之间的巨大差距，科研工作者正积极研制可替代的新材料来解决角膜短缺问题。

3D生物打印技术由于其能使生物材料在既定的模式下分层沉积，从而达到与器官解剖结构一一对应的目标。这为研制人工角膜提供了一个新思路！

近日，英国纽卡斯尔大学遗传医学研究所就采用3D技术打印出第一个人类眼角膜，这意味着未来通过3D打印技术，可能实现无限供应眼角膜的人类梦想。该研究结果发表在著名眼科杂志《ExperimentalEyeResearch》。

首先，使用特殊材料构建出患者特异性数字角膜模型，然后将此模型作为模板，用于在AutoCAD(version20.1)上构建数字支撑结构，以便于控制3D生物打印过程。

其次，采用胶原蛋白和海藻酸盐制成独特的新型复合生物油墨——这样的生物油墨能够使细胞存活。既足够坚硬，可以使得打印出的角膜从支持物上分离后依然保持正常形状，维持角膜曲率，又足够柔软，可以从3D打印机的喷嘴中挤出。

角膜基质层约占总角膜厚度的80%，其中角膜基质细胞是角膜基质中最主要的细胞类型。角膜基质细胞被认为是最适合融入生物油墨制剂中的细胞类型。作者从捐献者的角膜中分离出人角膜基质细胞，将其掺入生物油墨中，按照特定的程序进行高保真度的3D打印。

研究结果

1、数字角膜模型的几何形状是生成3D打印角膜结构所必需的，并且在打印的过程中需要支撑结构以打印出符合患者角膜构造的形状，这是通过构建出与角膜表面的几何形状互补的几何形状的数字图像而获得的（图1）。将支撑结构紧密贴合在35毫米的培养皿内，以便立即将构造出的角膜进行孵化培养（图1）。

图1：支撑结构的顺利构建

2、按照不同浓度和比例配制的四种复合生物油墨中，由6mg/ml胶原蛋白和海藻酸盐按1:3比例配制的Coll-4印刷的结构几乎没有结构完整性并容易碎裂，而由6mg/ml胶原蛋白和海藻酸盐按1:2比例配制的Coll-3印刷的结构能够保持完整性但无法保持适当的曲率（图2）。由8mg/ml胶原蛋白和海藻酸盐按1:2比例配制的Coll-1生物油墨打印出最佳的角膜结构，由于海藻酸盐的掺入，Coll-1打印出的角膜结构也显示出较高的透明度（图2）。

图2

3、将细胞掺入并打印之后（图3），在第1天观察到角膜细胞的初始存活率高达92％，并且成功扩散，而没有形成细胞聚集体。细胞存活率在7天后仍保持83％高水平（图4），live/dead染色也显示出细胞的高存活率（图5）。

图3：生物油墨3D打印流程

图4：打印后第一天和第七天细胞存活率

图5：live/dead染色显示出细胞的高存活率

研究结论

该研究为使用3D生物打印人工角膜提供了一个良好的概念性验证，利用生物油墨可以快速有效的制备出人类角膜替代品。目前，该方法还需不断改进以验证其临床适用性。总之，这项研究成果表明3D生物打印在角膜组织工程中的应用前景极为广阔。