​據世衛組織估計，目前全球有超過1000萬人需要通過手術來避免因沙眼引起的角膜炎致盲，同時還有超過490萬人正遭受角膜損傷帶來的失明[1]。盡管有各種渠道的捐獻，角膜數量的空缺仍在不斷擴大。目前，雖然有通過高分子材料制作人工角膜的報道，但其造成的人體排異反應尚未得到很好解決。因此，通過在體外培養角膜內皮細胞獲得人工角膜就成了更為實際的解決方案。

圖1  世衛組織2019年眼部報告

 

為了得到理想形狀的角膜，Connon課題組將細胞培養與生物3D打印結合，嘗試通過3D打印的方式構造角膜結構，提高角膜成形精度。
 
因角膜獨特的穹頂形狀，且對弧面的光滑度要求較高，所以傳統3D打印所使用的柱狀支撐材料難以滿足要求。因此Connon課題組想到使用一個模具基底，在打印角膜前就固定于打印平臺中，使構建的角膜直接成形于弧面基底上。通過有限元法，Connon課題組構建了一個角膜模型，并利用數字三維建模軟件在一個方塊基底上“挖去”角膜的形狀，得到目標模具基底。

圖2 構建模具基底的步驟：A) 置于平面上的人類角膜；B) 用有限元法構建角膜模型；C) 填平角膜模型以計算挖去的體積；D) 構建方塊基底；E) 挖去角膜的形狀；F) 實際得到的基底模具，合適的大小能夠正好被固定于培養皿中。

第二步，Connon課題組在模具基底上打印角膜。為了能夠盡可能地提高打印精度，課題組成員使用了膠原（Collagen）與海藻酸鹽（Alginate）配制而成的低粘度的生物墨水，但隨之而來的難題是低粘度墨水難以堆積形成具有高度的成品。為此，課題組預先在模具基底上填充了明膠膠漿（Gelatine Slurry），使打印過程實際在膠漿中完成。打印完成后可以通過簡單的加熱后處理去除明膠，獲得完整的角膜成品。為了能夠使打印過程更為清晰，課題組還在生物墨水中添加了臺盼藍染色劑。

圖2 打印角膜的過程：A) 在基底模具上填充明膠膠漿（Gelatine Slurry）；B) 實際打印過程（使用regenHU生物3D打印機擠出式打印頭完成）；C) 打印后位于基底模具上的角膜；D) 后處理后的角膜（紅圈部分）

在完成角膜打印后，課題組成員也對其進行了生物活性測試。通過熒光檢測的方式，計算得到打印后1天細胞成活率為92%，7天細胞成活率為83%。

圖3 打印后細胞成活率

該文獻的發表證明了使用低粘度生物墨水完成角膜的3D打印是可行的，結合體外培養和飛速發展的醫學相關技術，相信在不久的將來，3D打印的角膜將逐漸被臨床所接受使用。

[1] World Health Organization. World report on Vision[J]. 2019.

[2] Abigail I, Stephen S, Connon C J. 3D bioprinting of a corneal stroma equivalent[J]. Experimental Eye Research, 2018, 173:188-193.

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