生物打印新進展！賓夕法尼亞州立大學將生物打印組織的速度提高了10倍

2024年11月，南極熊獲悉，來自賓夕法尼亞州立大學的研究者們開發(fā)了一種新型的生物3D打印技術，該技術利用球狀體（細胞簇）來制造復雜的組織。這項新技術提高了組織制造的精度和可擴展性，生產(chǎn)組織的速度比現(xiàn)有方法快 10 倍并擴大了開發(fā)功能性組織和器官以及再生醫(yī)學進展的機會。研究結果已經(jīng)發(fā)表在Nature communications上，題目為High-throughput bioprinting of spheroids for scalable tissue fabrication（球體的高通量生物打?。?/i>。該研究得到了美國國家生物醫(yī)學成像和生物工程研究所（NIBIB）及美國國家牙科和顱面研究所（NIDCR）的資金支持，進一步證明了其在科學和技術上的重要性。



研究背景
隨著再生醫(yī)學和組織工程學的發(fā)展，3D生物打印技術作為一種創(chuàng)新的制造方法，為構建功能性組織和器官提供了新的可能性。然而，傳統(tǒng)的生物打印方法在細胞密度、制造速度以及對脆弱細胞結構的保護方面存在諸多限制。這些挑戰(zhàn)不僅影響了人造組織的功能性，也制約了其臨床應用的可能性。為了克服這些問題，賓夕法尼亞州立大學的研究團隊在Ibrahim T. Ozbolat教授的帶領下，開發(fā)了一種新型的高通量集成組織制造系統(tǒng)（HITS-Bio），旨在提高生物打印的速度、精度和可擴展性。



研究內容
Ozbolat教授及其團隊提出的新技術——HITS-Bio，利用球狀體（即細胞簇）作為構建單元來制造復雜的3D組織。球狀體是一種三維細胞集合體，其細胞密度與人體組織相似，因此被認為是實現(xiàn)高密度組織生物打印的理想材料。盡管球狀體提供了更好的細胞密度，但之前的生物打印方法由于缺乏高效的可擴展技術和精確控制能力，仍然難以滿足實際需求。為了解決這些問題，研究團隊設計了一個數(shù)字控制噴嘴陣列，該陣列可以在三維空間中移動，并允許同時操縱多個球狀體。


△HITS-Bio流程示意圖

具體而言，他們將噴嘴排列成四乘四的陣列，能夠一次性拾取16個球狀體并迅速準確地放置在生物墨水基底上。此外，噴嘴陣列還可以根據(jù)定制模式拾取球狀體，從而創(chuàng)建出具有特定結構的復雜組織。


△HITS-Bio性能分析

這種新方法相較于傳統(tǒng)逐個處理球狀體的技術，大大提高了工作效率，實現(xiàn)了比現(xiàn)有技術快10倍的組織制造速度，同時保持了90%以上的細胞存活率。正如Ozbolat教授所言：“這項技術是快速生物打印球狀體的重大進步，它能夠以高通量方式以比現(xiàn)有技術更快的速度打印組織，并且細胞存活率高?！?br />
研究結果


△1立方厘米的軟骨組織被生物打印出576個球體

為了驗證HITS-Bio平臺的有效性，研究人員進行了多項實驗測試。首先，他們成功地在一個小時內制造出了一個一立方厘米大小的軟骨組織結構，其中包含了大約600個由軟骨細胞組成的球狀體。這個過程用時不到40分鐘，效率極高，遠超現(xiàn)有生物打印技術的能力。

更重要的是，研究小組展示了該技術在大鼠模型中的手術環(huán)境中按需組織修復的應用潛力。他們直接在顱骨傷口部位打印了球狀體，并使用microRNA技術對球狀體進行編程，使其轉化為骨骼。結果顯示，在三周后傷口愈合率達到91%，六周后達到了96%。這表明HITS-Bio技術不僅加速了骨骼修復速度，還顯著提高了修復效果。

此外，該技術還展示了其他潛在的應用前景。例如，通過增加噴嘴的數(shù)量，可以生產(chǎn)更大、更復雜的組織，如肝臟等器官組織。這對于推動再生醫(yī)學的發(fā)展至關重要，因為它意味著未來可能創(chuàng)造出更多可用于臨床或移植的人造器官。值得注意的是，該研究中展示的兩種應用不存在血管化的問題，因為軟骨本身沒有血管，在外科手術中，周圍的血管可以幫助血液流向生物打印的骨組織。

展望
展望未來，HITS-Bio技術的出現(xiàn)為再生醫(yī)學和個性化醫(yī)療帶來了新的希望。研究團隊正繼續(xù)探索如何將血管融入人造組織中，這是制造更多功能性和臨床可用組織的關鍵步驟之一。Ozbolat教授指出：“我們正在努力開發(fā)一種可以支持大規(guī)模生產(chǎn)和復雜結構構建的方法，以便最終能夠生產(chǎn)出可供移植的器官?！边@一目標一旦實現(xiàn)，將極大地改變目前依賴于供體器官移植的局面，為患者提供更多的治療選擇。

綜上所述，HITS-Bio技術代表著生物打印領域的一個重大飛躍，它不僅提高了組織制造的速度和質量，還為未來的醫(yī)學研究和臨床應用開辟了新的道路。隨著更多相關研究的展開和技術的進步，相信這一領域的創(chuàng)新將會不斷涌現(xiàn)，為人類健康事業(yè)做出更大的貢獻。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54504-7