創新讓體積生物打印邁向臨床|科技創新世界潮

在顆粒狀凝膠中嵌入細胞打印。圖片來源：荷蘭烏得勒支大學醫學中心

生物打印是對活細胞和組織的打印，患者可利用自己的細胞培養出器官，這項大有前途的技術未來可解決器官捐贈短缺的問題。然而，打印活組織和細胞是極其復雜的，需要克服許多障礙。

近期發表在《先進材料技術》上的3篇論文介紹了荷蘭烏得勒支大學醫學中心有關生物打印活組織的3項創新，這些創新將使生物打印更具臨床意義。

在打印樣品中創建生物功能區

體積生物打印可在短短幾秒鐘內打印出幾立方厘米的物體，這為打印細胞提供了許多可能性。然而，受到載有細胞的水凝膠的特性限制，當打印完成時，細胞可能不會被準確地放置在需要的地方，也不可能通過改變凝膠來幫助細胞發育、生長或特化。

為了能夠在打印過程后對打印品進行化學改性，研究人員研究了凝膠的孔隙率，以及與凝膠中其他分子結合的化合物。

首先，他們用體積打印機打印基于明膠的結構，然后將生物分子和光引發劑注入這些結構，可在明膠結構中創造復雜的3D模型。這種方法第一次能讓科學家3D控制想要捕獲的生物分子的位置。

有了這項創新，生長因子或生物活性蛋白質能以任何想要的3D形狀引入體積打印中。例如，科學家可以在3D打印對象內創建一條“吸引”新血管的軌跡，將引導血管方向和形成的信號分子放置在該軌跡上。然后，這些信號就可以正確吸引細胞，或者幫助干細胞發揮其再生潛力。

與快速體積生物打印技術相結合，科學家有望創建可以指導細胞行為和發育的生物軟化支架。這意味著，未來能利用3D生物打印近距離模擬天然組織和器官的復雜生化環境。

顆粒狀凝膠打印細胞擁有更高活性

3D打印成功制造出組織的同時，其中的細胞也需要得到呵護。如果它們要形成一個功能組織，就需要能夠生長、移動和相互交流。

為了實現這一點，用于生物打印的材料必須提供一個允許細胞自組織和交流的環境，例如使用軟水凝膠，但確保這些材料的高分辨率打印和形狀保真度仍然是一個瓶頸，尤其是在使用傳統3D打印技術時。

研究團隊利用顆粒樹脂來克服挑戰。每個微粒子擁有與其散裝水凝膠對應物相當的特性，且包裝好的微凝膠粒子可以按需設計和定制。因此，利用顆粒生物材料能應對打印過程中與塊狀細胞封裝和材料可加工性相關的缺陷。

這種顆粒狀樹脂允許研究人員將擠壓打印和體積打印結合在一起。使用擠壓打印，某些細胞或其他化學物質可以專門沉積在樹脂中。這種方法優化了體積打印速度和擠壓打印精度之間的平衡。凝膠在打印噴嘴周圍移動，就像手指攪動奶油，奶油也在手指周圍移動一樣，細胞可快速放置在多層中，而不必擔心結構的強度。然后，體積打印可以通過創建和細化擠壓單元周圍的形狀來完成這一過程。

細胞實驗證實，在利用顆粒狀樹脂打印后，細胞具有更多的生物活性，遠遠超過固體凝膠。在打印到樹脂中的8天內，干細胞能夠更好地擴展，上皮細胞、神經元樣細胞相互之間建立了更多連接。

未來，這些工具將幫助增強組織功能，為組織工程、再生醫學和新興的工程生物材料領域開辟更多機會。

技術結合實現功能性血管打印

體積生物打印允許細胞在打印過程中存活下來，然而，其最終打印的結構有缺陷，例如打印的血管不能很好地承受高壓并彎曲。為此，研究人員試圖將體積生物打印和熔融電寫結合。

熔融電寫是一種高精度的3D打印，它的工作原理是引導可生物降解的熔融塑料的細絲來工作。它能夠制造機械強度高、能夠承受外力的支架，但缺點是它們不能直接用電池打印，因為涉及的溫度很高，此次解決方式是使用體積生物打印將載細胞凝膠固化到支架上。

研究人員先使用熔融電寫創建管狀支架，然后將其浸入帶有光活性凝膠的小瓶中，并放置在體積生物打印機中。原則上，打印機的激光可以針對性地固化支架內、支架上及其周圍的凝膠。

測試發現，不同厚度的支架產生了堅固的管子。通過使用兩種不同標記的干細胞，研究小組能夠打印出帶有兩層干細胞的原理驗證血管，并種植上皮細胞，覆蓋血管的管腔。

這種設計還允許研究人員在打印品的側面留出孔，從而有可能控制血管的滲透性，使血液發揮其功能。最后，研究人員還創造了更復雜的結構，如分叉血管，甚至具有維持單向流動功能的靜脈瓣膜血管。

研究人員表示，這些創新為推進生物打印提供了更加靈活的選擇，未來他們會將這些技術結合起來并加以擴展。