Stevens開發(fā)微流體打印計算模型，為3D打印生物器官開辟新道路

南極熊導(dǎo)讀，人體器官移植為重病患者提供了一條至關(guān)重要的生命線，但可供移植的器官太少：僅在美國，目前就有超過112000人在等待器官移植。3D打印器官是其未來發(fā)展的重要方向之一。但它的發(fā)展充滿了復(fù)雜性和技術(shù)障礙，限制了可以打印的器官類型。

△基于微流控的生物打印系統(tǒng)，( a ) 微流控打印頭的通道系統(tǒng)設(shè)計，( b ) 整個生物打印系統(tǒng)的設(shè)置。圖片來自Stevens Institute

2022年4月14日，南極熊獲悉，Stevens Institute理工學(xué)院的研究人員正在通過開發(fā)數(shù)據(jù)分析模型來克服這些障礙。這項工作由史蒂文斯謝弗工程與科學(xué)學(xué)院機械工程系副教授 Robert Chang 領(lǐng)導(dǎo)，他宣稱通過他們的數(shù)據(jù)分析計算，可以為3D打印制造出任何類型的器官開辟新途徑，甚至直接在開放性傷口上打印皮膚。

“在不需要人類捐贈者的情況下，創(chuàng)造新的器官來挽救生命，將對生物醫(yī)療發(fā)展帶來巨大的好處，”Robert Chang說，他的學(xué)術(shù)研究已發(fā)表在4月的《科學(xué)報告》雜志上�！盀榱诉_到這個目標(biāo)是很棘手的，因為使用生物墨水打印器官，需要對打印的超細纖維形狀和尺寸進行一定程度的精細控制，這是目前3D打印機暫時無法實現(xiàn)的�！�

基于微流體的生物打印參數(shù)對微纖維幾何結(jié)果影響的數(shù)值分析。科學(xué)報告，2022；12 (1) DOI: 10.1038/s41598-022-07392-0

Chang和他的團隊，希望通過一種新的3D打印工藝來實現(xiàn)，該工藝使用微流體，通過微小通道精確操縱液體，對比現(xiàn)有的技術(shù)可實現(xiàn)更為精細的操作。“他們的這項研究旨在通過提高微流體生物打印技術(shù)，實現(xiàn)制造微組織和微纖維結(jié)構(gòu)，同時具備可控及可預(yù)測性，”Zaeri說。

目前大多數(shù)3D生物打印機都是基于擠壓工藝，從噴嘴中噴出的生物墨水大約為200微米——大約是意大利面條的十分之一寬。基于微流體可以打印出同單細胞等同大小的生物對象（僅有十微米）。

△3D生物打印示意圖。圖片來自Google

除了更加精細的操作，將微流控打印頭結(jié)合到生物打印中。微流體還可以使用多種生物墨水（每種包含不同的細胞和組織前體），可在單個打印結(jié)構(gòu)中互換使用，這與傳統(tǒng)打印機將彩色墨水組合成單個圖像的方式非常相似。

這點非常重要，雖然研究人員已經(jīng)通過在3D打印支架上來創(chuàng)建簡單的器官，如膀胱，但更復(fù)雜的器官，如肝臟和腎臟，需要精確組合許多不同的細胞類型。如“需要更精細的操作，同時精確混合生物墨水，才能復(fù)制出任何類型的組織，”Chang 說。

△海藻酸鈣的液滴形成和微滴頻率預(yù)測。圖片來自Stevens Institute

為實現(xiàn)以上3D生物打印，需要準(zhǔn)確的了解不同的工藝參數(shù)（如通道結(jié)構(gòu)、流速和流體動力學(xué)），它們是如何影響打印的生物結(jié)構(gòu)的幾何形狀和材料特性。為了簡化這一過程，Chang的團隊的數(shù)據(jù)模型能夠預(yù)測結(jié)果，而無需進行額外的人工實驗。Zaeri說。

Chang正在使用基于微流體的打印頭的設(shè)計和數(shù)值評估，以實現(xiàn)受控的微纖維擠出，用于生物打印功能分級的組織結(jié)構(gòu)。這項研究工作的結(jié)果可用于打印組合的多種細胞類型的生物墨水，這種生物墨水還可以復(fù)制具有梯度幾何和組成特性的組織（骨骼和肌肉的交叉點）。

Chang還在探索使用微流體3D打印技術(shù)實現(xiàn)原位生成皮膚和其他組織，使患者能夠?qū)⑻娲�皮膚組織直接打印到傷口上。他說:“這項技術(shù)還處于起步階段，我們還不知道它還能實現(xiàn)什么�！钡�我們知道，該項技術(shù)非常重要，為未來3D生物醫(yī)療發(fā)展奠定基礎(chǔ)。