在顆粒狀凝膠中嵌入細(xì)胞打印。圖片來源：荷蘭烏得勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心

科技日報記者?張佳欣

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

近期發(fā)表在《先進材料技術(shù)》上的3篇論文介紹了荷蘭烏得勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心有關(guān)生物打印活組織的3項創(chuàng)新，這些創(chuàng)新將使生物打印更具臨床意義。

在打印樣品中創(chuàng)建生物功能區(qū)

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

為了能夠在打印過程后對打印品進行化學(xué)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(jié)合的化合物。

首先，他們用體積打印機打印基于明膠的結(jié)構(gòu)，然后將生物分子和光引發(fā)劑注入這些結(jié)構(gòu)，可在明膠結(jié)構(gòu)中創(chuàng)造復(fù)雜的3D模型。這種方法第一次能讓科學(xué)家3D控制想要捕獲的生物分子的位置。

有了這項創(chuàng)新，生長因子或生物活性蛋白質(zhì)能以任何想要的3D形狀引入體積打印中。例如，科學(xué)家可以在3D打印對象內(nèi)創(chuàng)建一條“吸引”新血管的軌跡，將引導(dǎo)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(xì)胞，或者幫助干細(xì)胞發(fā)揮其再生潛力。

與快速體積生物打印技術(shù)相結(jié)合，科學(xué)家有望創(chuàng)建可以指導(dǎo)細(xì)胞行為和發(fā)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(fù)雜生化環(huán)境。

顆粒狀凝膠打印細(xì)胞擁有更高活性

3D打印成功制造出組織的同時，其中的細(xì)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(xiàn)這一點，用于生物打印的材料必須提供一個允許細(xì)胞自組織和交流的環(huán)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(tǒng)3D打印技術(shù)時。

研究團隊利用顆粒樹脂來克服挑戰(zhàn)。每個微粒子擁有與其散裝水凝膠對應(yīng)物相當(dāng)?shù)奶匦裕野b好的微凝膠粒子可以按需設(shè)計和定制。因此，利用顆粒生物材料能應(yīng)對打印過程中與塊狀細(xì)胞封裝和材料可加工性相關(guān)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(jié)合在一起。使用擠壓打印，某些細(xì)胞或其他化學(xué)物質(zhì)可以專門沉積在樹脂中。這種方法優(yōu)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(xì)胞可快速放置在多層中，而不必?fù)?dān)心結(jié)構(gòu)的強度。然后，體積打印可以通過創(chuàng)建和細(xì)化擠壓單元周圍的形狀來完成這一過程。

細(xì)胞實驗證實，在利用顆粒狀樹脂打印后，細(xì)胞具有更多的生物活性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過固體凝膠。在打印到樹脂中的8天內(nèi)，干細(xì)胞能夠更好地擴展，上皮細(xì)胞、神經(jīng)元樣細(xì)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(yī)學(xué)和新興的工程生物材料領(lǐng)域開辟更多機會。

技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)功能性血管打印

體積生物打印允許細(xì)胞在打印過程中存活下來，然而，其最終打印的結(jié)構(gòu)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(jié)合。

熔融電寫是一種高精度的3D打印，它的工作原理是引導(dǎo)可生物降解的熔融塑料的細(xì)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(xì)胞凝膠固化到支架上。

研究人員先使用熔融電寫創(chuàng)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(nèi)、支架上及其周圍的凝膠。

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

這種設(shè)計還允許研究人員在打印品的側(cè)面留出孔，從而有可能控制血管的滲透性，使血液發(fā)揮其功能。最后，研究人員還創(chuàng)造了更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，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(chuàng)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(shù)結(jié)合起來并加以擴展。