新型生物3D打印技術(shù)將構(gòu)建人體組織速度提高10倍

2024年12月5日，南極熊獲悉，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新型生物3D打印技術(shù)，能夠在傷口上直接打印組織，顯著提高了組織生成的速度和效率。該研究成果已在《自然通訊》上發(fā)表，并展示了加速組織生物打印的關(guān)鍵因素——微小細(xì)胞簇球狀體的使用。

△研究題目為“用于可擴(kuò)展組織制造的球體高通量生物打印”（傳送門）

在組織工程中，精確地排列每個細(xì)胞以模仿人體內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)一直是一個挑戰(zhàn)。此外，傳統(tǒng)的3D生物打印技術(shù)在打印過程中對細(xì)胞的損傷也是一個問題。然而，研究人員通過使用球狀體，更接近人體內(nèi)細(xì)胞密度的微小細(xì)胞簇，克服了這些障礙。

此研究的合著者、工程科學(xué)與力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程和神經(jīng)外科教授Ibrahim Ozbolat將這種新技術(shù)比作用細(xì)胞作為“磚塊”，用生物墨水作為“砂漿”來建造一堵墻。他強調(diào)，這項技術(shù)能夠以前所未有的速度實現(xiàn)高細(xì)胞活力的組織生物打印。

Ozbolat教授在聲明中表示：“這項技術(shù)不僅顯著提高了組織生物打印的速度，而且保持了高細(xì)胞活力，這在現(xiàn)有的高通量生物打印技術(shù)中是前所未有的?！?br />

△HITS-Bio能夠直接在傷口上進(jìn)行生物打印

高通量生物打印技術(shù)HITS-Bio

早些時候，Ozbolat和同事發(fā)明了一種輔助抽吸生物打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用移液器尖端提起、轉(zhuǎn)移和定位單個細(xì)胞球體，形成有利于細(xì)胞自組裝和生長為固體組織的結(jié)構(gòu)。然而，這種漸進(jìn)式過程導(dǎo)致工程師需要數(shù)天時間才能制造出一立方厘米的材料。

進(jìn)一步的研究和分析促使Ozbolat團(tuán)隊開發(fā)出了這種被稱為生物打印高通量集成組織制造系統(tǒng)（HITS-Bio）。與手動組裝不同，HITS-Bio采用了一個四乘四的移液器噴嘴陣列，這些噴嘴通過數(shù)字控制在三維空間中移動，能夠同時處理多個球體。多噴嘴工具一次最多可以處理16個球體，將它們精確地移動到生物墨水基底中的指定位置。通過這種方式，HITS-Bio顯著加快了3D生物打印細(xì)胞結(jié)構(gòu)的速度。

△HITS-Bio工藝示意圖

Ozbolat解釋說：“這使得我們能夠快速構(gòu)建可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)，速度比現(xiàn)有技術(shù)快10倍，并且能保持90%以上的細(xì)胞活力?！?br />
研究人員進(jìn)行了兩項獨立實驗以展示新技術(shù)的能力。在第一個實驗中，團(tuán)隊使用HITS-Bio從約600個能夠分化成軟骨的細(xì)胞球體制作了一個一立方厘米的塊。HITS-Bio在不到40分鐘內(nèi)完成了球體樣本的制作，而無需花費數(shù)天時間。

在另一項實驗中，Ozbolat和同事們首次使用HITS-Bio將含有球狀體的生物墨水直接注入老鼠頭骨上的傷口中。利用microRNA技術(shù)控制基因表達(dá)，研究人員引導(dǎo)球狀體分化成真正的骨骼。術(shù)后約六周，傷口幾乎完全愈合。這也證明了這項技術(shù)在將來的實際應(yīng)用蘊含巨大潛力。

未來，研究人員下一步希望擴(kuò)大HITS-Bio方法的規(guī)模，以處理更復(fù)雜的組織，可能通過增加更多噴嘴來實現(xiàn)。如果他們能解決如何結(jié)合血管細(xì)胞打印的問題（這對于臨床和外科手術(shù)中可行的移植組織至關(guān)重要），團(tuán)隊相信這項技術(shù)未來甚至可能幫助打印整個器官，例如肝臟等。