內(nèi)華達大學(xué)金翼飛教授團隊《PNAS》：浸入式3D打印多尺度人體組織和器官模型

來源：EFL生物3D打印與生物制造

生物3D打印技術(shù)是實現(xiàn)功能性復(fù)雜人體組織和器官構(gòu)建的最有潛力的技術(shù)方案之一。近年來所提出的浸入式墨水書寫（EIW）技術(shù)被認為是生物3D打印的一個重要子技術(shù)。人體組織和器官通常具有多尺度功能特征尺寸。但目前的EIW方法能夠打印的組織/器官功能特征尺寸仍限制在百微米到十毫米的量級。這一技術(shù)難題主要歸因于當前屈服應(yīng)力流體固有且較差的流動特性，使得在打印過程中難以按需添加支撐浴材料，打印結(jié)束后很難移除剩余的支撐浴材料，從而限制了打印結(jié)構(gòu)的尺度范圍。

近期，美國內(nèi)華達大學(xué)雷諾分校機械工程系Yifei Jin教授課題組與大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院趙丹陽教授團隊、內(nèi)布拉斯加大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Bin Duan教授團隊、愛荷華州立大學(xué)工業(yè)與制造系統(tǒng)工程系Yiliang Liao教授團隊及中國醫(yī)科大學(xué)柴廣睿教授團隊合作，針對多尺度復(fù)雜組織/器官體外精準制造這一長期困擾生物3D打印領(lǐng)域的難題，提出了多尺度浸入式打印 [multiscale embedded printing (MSEP)] 策略，并利用EFL品牌的擠出式生物3D打印機（EFL-BP6601）成功構(gòu)建了具有微米級表面粗糙度的眼角膜結(jié)構(gòu)，毫米級特征尺寸的同質(zhì)、異質(zhì)眼球和主動脈瓣膜結(jié)構(gòu)，以及分米級的全尺寸人類心臟模型，有效驗證了MSEP技術(shù)在構(gòu)建多尺度人體組織/器官領(lǐng)域的巨大潛力。博士研究生張誠和華偉健為該論文第一作者。相關(guān)工作“Multiscale Embedded Printing of Engineered Human Tissue and Organ Equivalents”發(fā)表于美國國家科學(xué)院官方學(xué)術(shù)期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)》。

圖1 MSEP方法示意圖及未來應(yīng)用前景。

高精度角膜結(jié)構(gòu)打印
本文提出了一種動態(tài)層高控制策略，優(yōu)化了擠出式生物3D打印過程中由于逐層疊加而產(chǎn)生的表面階梯現(xiàn)象，從而實現(xiàn)高精度結(jié)構(gòu)的打印。通過動態(tài)調(diào)整層高的方法，不同角度下3D打印的結(jié)構(gòu)表面粗糙度可以保持一致。同時，研究發(fā)現(xiàn)，打印絲的重疊比例對表面粗糙度也會造成一定影響，通過調(diào)節(jié)重疊比例值可以實現(xiàn)打印結(jié)構(gòu)表面粗糙度的進一步優(yōu)化。本文利用該動態(tài)層高控制策略成功打印了具有微米級表面粗糙度的角膜結(jié)構(gòu)。

圖2 動態(tài)層高控制策略示意圖和打印的微米級表面粗超度角膜。

具有毫米級特征尺寸的眼球和主動脈瓣打印
本研究采用MSEP技術(shù)，成功實現(xiàn)了眼球和主動脈瓣結(jié)構(gòu)的3D打印。如圖3所示，異質(zhì)眼球的不同部分由PEGDA/NaAlg和GelMA兩種生物墨水分別組成。主動脈心臟瓣膜具有較好的結(jié)構(gòu)精度和力學(xué)性能。由于所使用的支撐浴材料具有良好的溫敏特性，在低溫下可以通過后處理將殘余支撐浴從打印結(jié)構(gòu)中完全去除，不會對結(jié)構(gòu)精度和完整性造成影響。

圖3 眼球與心臟瓣膜打印。

全尺寸人體心臟模型打印
最后，本研究通過全尺寸心臟模型的打印，驗證了MSEP技術(shù)可以有效構(gòu)建大尺寸人體組織和器官。打印過程充分利用了支撐浴材料的溫敏特性，通過逐次添加低溫支撐浴材料，實現(xiàn)了短針頭分步打印大尺寸人體器官，最大程度地減少了由于針頭過長而導(dǎo)致的細胞損傷?？傮w而言，MSEP技術(shù)為未來載細胞打印提供了有效的技術(shù)支持，為組織工程和器官移植領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的可能性。

圖4 全尺寸人體心臟模型打印。

文章來源：https://doi.org/10.1073/pnas.2313464121