導(dǎo)讀:到目前為止,很少有3D生物打印技術(shù)進(jìn)入市場,而且該領(lǐng)域在這方面仍然處于相對早期的發(fā)展階段。換言之,市面上真正可以投入實(shí)際應(yīng)用的生物打印技術(shù)少之又少。
2022年2月10日,南極熊獲悉,哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院和四川大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新的3D生物打印活人肌肉-肌腱組織的方法。
與普通的擠壓式生物打印(涉及沿X和Y軸沉積細(xì)胞)不同,該團(tuán)隊的"低溫生物打印"過程將細(xì)胞冷凍并垂直堆疊,以一種允許創(chuàng)建獨(dú)立的混合細(xì)胞組織的方式。
科學(xué)家們表示,這種新技術(shù)制造的組織要比傳統(tǒng)生物打印具備更強(qiáng)大和更多的功能,特別是當(dāng)涉及到那些各向異性的性質(zhì)時。因此,他們認(rèn)為低溫生物打印現(xiàn)在即可投入再生醫(yī)學(xué)、藥物發(fā)現(xiàn)或個性化的治療應(yīng)用。
△3D生物打印肌肉肌腱的近距離示意圖。圖片來自哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院/四川大學(xué)。
擠壓式生物打印的替代品?
面對3D生物打印多數(shù)只是停留在實(shí)驗室階段的窘境,市面上亟需有真正可以投入實(shí)際應(yīng)用的打印技術(shù)來證明生物打印絕不只是“紙上談兵“。事實(shí)上,在那些處于實(shí)驗層面的技術(shù)中,許多仍依賴于基于擠壓的方法,這些方法通常具有功能性,但當(dāng)涉及到打印嚴(yán)重依賴排列的組織時,如肌肉和神經(jīng)纖維,它們往往會出現(xiàn)問題。
為了克服這些組織堆疊的問題,研究人員因此轉(zhuǎn)向了 "冰塑",這是一個冷凍過程,一旦解凍就會在充滿細(xì)胞的水凝膠結(jié)構(gòu)中形成微通道。當(dāng)然,這樣做通常會損害這些細(xì)胞的生存能力,所以為了防止這種情況,研究小組在他們的細(xì)胞中加入了低溫保護(hù)劑(CPA)麥芽糖和二甲亞砜。
一旦凍結(jié),研究人員就用紫外線(UV)光垂直交聯(lián)這種新型生物墨水,并將其擠壓成由高分辨率、蜂窩狀的微通道網(wǎng)絡(luò)組成的組織,能夠支持各種不同類型的細(xì)胞,無論是骨骼肌肌細(xì)胞還是人類臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞。
"我們的結(jié)果表明,這種由甲基丙烯酰明膠和CPA組成的生物墨水,可以有效地用于垂直三維低溫生物打印,使細(xì)胞在高活力下被包裹,"該團(tuán)隊在他們的論文中解釋說。"在這個過程中,借助于定向冷凍形成的相互連接的、各向異性的、梯度的微通道,也實(shí)現(xiàn)了所需的細(xì)胞排列。"
△研究人員的低溫生物打印技術(shù)。圖片來自哈佛醫(yī)學(xué)院/四川大學(xué)。
人體肌腱的 "低溫生物打印"
在證明低溫打印方法的可行性后,科學(xué)家們繼續(xù)評估其在創(chuàng)建更復(fù)雜的多細(xì)胞類型組織結(jié)構(gòu)方面的功效。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),研究團(tuán)隊最初使用了一臺配備了同軸噴嘴的3D生物打印機(jī),將細(xì)胞沉積到垂直的核殼結(jié)構(gòu)中,在這個過程中,他們可以精確控制材料的沉積,同時使用了多達(dá)8種不同的油墨。
值得關(guān)注的是,在這些組織內(nèi),研究人員還發(fā)現(xiàn)新方法允許他們創(chuàng)建可定制的、各向異性的微通道,以促進(jìn)細(xì)胞生長,盡管成功的程度各不相同。經(jīng)過幾次試印,結(jié)合了麥芽糖和DMSO分別為8%和10%的生物墨水被證明是最有效的,產(chǎn)生的組織在60-80%的細(xì)胞活力之間波動。
盡管這些結(jié)果參差不齊,科學(xué)家們將其歸因于實(shí)驗過程中的潛在變化,但他們繼續(xù)將他們的方法向前推進(jìn)了一步,將其應(yīng)用于肌腱 "連接處 "的創(chuàng)建,這種組織塊以其有機(jī)形式將肌肉收縮的力量通過肌腱傳遞給人類的骨骼系統(tǒng)。
在這一過程中,低溫生物打印被證明了是理想的,因為它能夠創(chuàng)造出一個連接點(diǎn),其下部細(xì)胞高度排列,而其纖維母細(xì)胞則較少,模仿了其自然對應(yīng)的結(jié)構(gòu)。一旦打印出來,所產(chǎn)生的肌腱被培養(yǎng)了七天,其中它的肌肉和血管生物墨水明顯地相互連接,成長為一個密集的微血管網(wǎng)絡(luò)。
因此,盡管該團(tuán)隊承認(rèn)他們的方法目前有打印高度的限制,使其無法在某些體內(nèi)應(yīng)用中使用,但他們堅持認(rèn)為,它還可以被用于創(chuàng)建肌肉骨骼模型,有可能幫助開發(fā)針對病人的治療方法,并促進(jìn)我們對人體的了解。
該團(tuán)隊在他們的論文中總結(jié)說:"我們合理地預(yù)計,垂直三維低溫生物打印策略可能會在組織工程中找到廣泛的用途,這些組織的特點(diǎn)是面向內(nèi)部細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)的排列。該方法的另一個可能的用途是為生物研究、藥物發(fā)現(xiàn)和個性化醫(yī)療創(chuàng)建體外肌肉骨骼模型。"
△熒光顯微鏡圖像顯示垂直低溫生物打印后第1至7天的肌腱形成。圖片來自哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院/四川大學(xué)。
新的生物打印方法
鑒于3D生物打印是一項新興技術(shù),加之研究人員不斷為該領(lǐng)域帶來創(chuàng)新的新想法,因此它的形式不斷變化也就不足為奇了。就在上個月,英國伯明翰大學(xué)和哈德斯菲爾德大學(xué)的科學(xué)家透露,他們已經(jīng)開發(fā)出一種新型的皮膚3D生物打印技術(shù),能夠治療慢性傷口。
在偏向于商業(yè)應(yīng)用的層面上,Inventia生命科學(xué)公司在2021年12月為其RASTRUM 3D生物打印技術(shù)的開發(fā)籌集了2500萬美元。實(shí)際上,該公司的方法旨在使裝載細(xì)胞的液滴以一定的速度相互分層,使它們在接觸時結(jié)合,并且不影響它們的整體活力。
在更早些時候,倫敦帝國學(xué)院的研究人員也曾試驗過將細(xì)胞冷凍作為生物打印可行的人類植入物的一種手段。在四年前發(fā)表的一篇論文中,該學(xué)院的一個團(tuán)隊試圖將3D打印和低溫技術(shù)結(jié)合起來,作為復(fù)制體內(nèi)軟組織質(zhì)地的一種手段,并欺騙大腦和肺部接受移植物,就像它們是有機(jī)的一樣。
研究人員的研究結(jié)果詳見他們的論文,題為 "VerticalExtrusion Cryo(bio)printing for Anisotropic Tissue Manufacturing?!?/p>
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