美國LANL研究人員開發(fā)新型生物反應(yīng)器以增強(qiáng)干細(xì)胞生長

導(dǎo)讀：3D打印使研究人員能夠快速創(chuàng)建支持更好的細(xì)胞生長和相互作用的緊湊、高效的設(shè)計，從而促進(jìn)了生物反應(yīng)器的發(fā)展。

△這項研究發(fā)表在《自然》雜志上。該緊湊型設(shè)備旨在克服傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)模型的局限性，并能夠模擬真實組織環(huán)境的復(fù)雜性，從而使得細(xì)胞分化研究更加實用和精確（傳送門）

2025年4月1日，南極熊獲悉，洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)的研究人員開發(fā)了一種3D打印灌注生物反應(yīng)器 (3D-PBR)，旨在改善人類骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞 (MSC) 的生長和分化方式。

在新墨西哥大學(xué)（UNM）的幫助下，這款設(shè)備還支持與血管細(xì)胞的共培養(yǎng)。為了實現(xiàn)這一功能，研究人員采用了Formlabs 3B低力立體光刻（SLA）3D打印機(jī)進(jìn)行制作。設(shè)備由生物相容性的樹脂制成，該樹脂由甲基丙烯酸酯單體和聚氨酯二甲基丙烯酸酯組成。打印完成后，研究人員使用異丙醇仔細(xì)清潔各個組件，并在60°C的紫外線下固化30分鐘，這一過程不僅確保了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還提高了成像的清晰度。

△完全組裝的3D-PBR系統(tǒng)，帶有模塊化蠕動泵和3D打印細(xì)胞培養(yǎng)基儲存器

雙室設(shè)置支持細(xì)胞相互作用

這款3D打印設(shè)備的創(chuàng)新之處在于它獨特的雙隔室設(shè)計，兩個隔室通過一個孔徑為0.4 µm的多孔聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜相隔。該膜允許介質(zhì)在隔室之間傳輸，同時支持細(xì)胞間的相互作用，而保持隔室之間的獨立性。

其中一個隔室專為血管細(xì)胞設(shè)計，配備魯爾鎖端口以控制液體流動，并包含一個尺寸為11.8毫米×4.8毫米×0.8毫米的矩形通道。另一個隔室則為間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）設(shè)計，擁有一個尺寸為15.8毫米×4.8毫米×0.8毫米的橢圓形通道。盡管設(shè)計復(fù)雜，整個系統(tǒng)（包括蠕動泵和3D打印的培養(yǎng)基儲存器）的體積卻僅限于60立方英寸。

研究人員選擇了一種特殊的樹脂基聚合物，而非常見的聚二甲基硅氧烷（PDMS），后者常受到分子吸收和制造限制的影響。這一新方法提供了更高的靈活性和耐用性，能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，更適合各種實驗條件。

在實驗中，研究團(tuán)隊在膠原蛋白纖維凝膠中培養(yǎng)MSCs，選擇這種材料是因為它能提供結(jié)構(gòu)支撐并模擬細(xì)胞外基質(zhì)的環(huán)境。他們分別制備了濃度為3.8×10⁴細(xì)胞/毫升的凝膠用于骨分化實驗，以及2.6×10⁵細(xì)胞/毫升的凝膠用于脂肪分化實驗。

同時，將人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）以1×10⁶細(xì)胞/毫升的濃度引入血管室，在21天內(nèi)形成融合單層。為了進(jìn)一步促進(jìn)分化過程，研究人員采用了23 µL/min和100 µL/min的流速，已知這些流速有助于促進(jìn)骨生成條件。

△3D-PBR中血管和MS隔室的組裝過程

3D-PBR技術(shù)在組織工程中的應(yīng)用與前景

接下來，研究團(tuán)隊利用熒光顯微鏡來評估MSCs在3D-PBR中的分化狀況。使用了VE-Cadherin、ActinRed™ 555和NucBlue等成像標(biāo)記物，這些標(biāo)記物清晰地展示了細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及相互作用。研究結(jié)果顯示MSCs的活力高達(dá)92%，而HUVECs的活力為91%。

更值得注意的是，與靜態(tài)培養(yǎng)條件相比，3D-PBR中培養(yǎng)的細(xì)胞顯示出更顯著的分化特征。具體表現(xiàn)為骨細(xì)胞結(jié)構(gòu)具有更高的復(fù)雜性和成熟度，以及脂肪細(xì)胞分化的一致性。

△3D-PBR的µCT掃描

為了確保裝置的結(jié)構(gòu)完整性，研究人員進(jìn)行了µCT掃描，證實了隔間密封性良好，適宜進(jìn)行長期實驗。這一驗證步驟對于確認(rèn)裝置設(shè)計的可靠性至關(guān)重要。

雖然初步實驗證明了該裝置的生物相容性和促進(jìn)細(xì)胞分化的能力，但仍存在局限性，特別是對血管細(xì)胞信號如何影響間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）生長的分子機(jī)制研究不足。此外，由于不同細(xì)胞需要不同培養(yǎng)基，目前只能在MSCs分化后引入血管細(xì)胞，未來計劃開發(fā)通用培養(yǎng)基并結(jié)合基因表達(dá)分析優(yōu)化培養(yǎng)條件。

展望未來，研究人員相信3D-PBR的緊湊設(shè)計、與標(biāo)準(zhǔn)實驗室設(shè)備的兼容性以及廣泛適應(yīng)性，將使這項技術(shù)成為研究骨骼形成、脂肪分化以及其它需要模擬真實環(huán)境的組織工程應(yīng)用的寶貴工具。