新型生物3D打印技術將構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的研究人員開發(fā)了一種新型生物3D打印技術，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鍵因素——微小細胞簇球狀體的使用。

△研究題目為“用于可擴展組織制造的球體高通量生物打印”（傳送門）

在組織工程中，精確地排列每個細胞以模仿人體內的組織結構一直是一個挑戰(zhàn)。此外，傳統(tǒng)的3D生物打印技術在打印過程中對細胞的損傷也是一個問題。然而，研究人員通過使用球狀體，更接近人體內細胞密度的微小細胞簇，克服了這些障礙。

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

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

△HITS-Bio能夠直接在傷口上進行生物打印

高通量生物打印技術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、轉移和定位單個細胞球體，形成有利于細胞自組裝和生長為固體組織的結構。然而，這種漸進式過程導致工程師需要數天時間才能制造出一立方厘米的材料。

進一步的研究和分析促使Ozbolat團隊開發(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生物打印細胞結構的速度。

△HITS-Bio工藝示意圖

Ozbolat解釋說：“這使得我們能夠快速構建可擴展的結構，速度比現(xiàn)有技術快10倍，并且能保持90%以上的細胞活力。”

研究人員進行了兩項獨立實驗以展示新技術的能力。在第一個實驗中，團隊使用HITS-Bio從約600個能夠分化成軟骨的細胞球體制作了一個一立方厘米的塊。HITS-Bio在不到40分鐘內完成了球體樣本的制作，而無需花費數天時間。

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技術控制基因表達，研究人員引導球狀體分化成真正的骨骼。術后約六周，傷口幾乎完全愈合。這也證明了這項技術在將來的實際應用蘊含巨大潛力。

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