2020年10大生物3D打印技術(shù)進(jìn)展，為未來的器官移植鋪路

由于COVID-19的大流行,，2020年是非常動蕩的一年，但即使是最極端的封鎖措施也無法阻止科學(xué)研究向前發(fā)展,。我們已經(jīng)看到研究人員利用新的3D生物打印系統(tǒng),、工藝和生物墨水，創(chuàng)建器官模型,，甚至生物打印組織,，用于COVID-19研究。

2020年12月28日,，南極熊93item.com注意到外媒概述了生物3D打印領(lǐng)域的十項最重要的成就,，給2020年帶來了一線生機(jī)。

FRESH-生物打印栩栩如生的心臟模型

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CMU）生物醫(yī)學(xué)工程系Feinberg實驗室的研究人員,，生物打印了一種心臟模型,，它能模仿心臟組織的真實手感、彈性和機(jī)械性能,，而且還足夠耐用,，可以進(jìn)行處理,、縫合和灌注,，是手術(shù)模擬和訓(xùn)練的理想工具。利用他們的自由形態(tài)可逆嵌入懸浮水凝膠（FRESH）生物打印技術(shù),，首席研究員Adam Feinberg和同事們,，成功地證明了由軟性水凝膠制成的大型生物打印心臟組織構(gòu)造可以實現(xiàn)，并可以外科培訓(xùn)應(yīng)用,。

△用針將海藻酸鹽打印到水凝膠浴中,，隨后將其融化，留下成品心臟模型,，圖片由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)/dam Feinberg提供

使用激光和糖的復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)

來自萊斯大學(xué)的研究人員利用糖粉和選擇性激光燒結(jié),，從復(fù)雜,、分支和錯綜復(fù)雜的糖網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建了大型結(jié)構(gòu)，這些糖網(wǎng)絡(luò)可以在實驗室生長的組織中溶解,，為血液創(chuàng)造通路,。該團(tuán)隊的研究結(jié)果已經(jīng)接近模擬生成血管所需的體內(nèi)條件，克服了3D打印血管化的并發(fā)癥,，這是組織工程中最大的挑戰(zhàn)之一,。產(chǎn)生新的3D打印工藝和血管化的生物材料，是萊斯大學(xué)Jordan Miller生物工程實驗室研究人員的首要任務(wù)之一,，該實驗室在使用糖來構(gòu)建血管網(wǎng)絡(luò)模板方面已經(jīng)有了豐富的歷史,。這項工作使生物打印界離創(chuàng)造移植用的器官和組織又近了一步。

用于COVID-19研究的生物3D打印組織

來自北卡羅來納州維克森林再生醫(yī)學(xué)研究所（WFIRM）的安東尼-阿塔拉（Anthony Atala）開發(fā)了一種新的多器官,，可在芯片上測試藥物的毒性,。阿塔拉與其他研究人員一起，在2020年2月發(fā)表了一篇論文,，聲稱“活體生物組織打印在芯片上” 可以帶來更快更經(jīng)濟(jì)的藥物開發(fā),，以及降低藥物上市后的風(fēng)險。但這還不是全部,，3D機(jī)體系統(tǒng)能夠證明藥物毒性,，在7月份它還被用于COVID-19的研究。據(jù)《紐約時報》報道,，阿塔拉的團(tuán)隊正在將活體組織生物打印在微芯片上,，并將其送往弗吉尼亞州喬治梅森大學(xué)的生物安全實驗室，在那里測試對抗新型COVID-19病毒的藥物,。南極熊3D打印網(wǎng)注意到,，這項成果引發(fā)了眾多醫(yī)療企業(yè)的關(guān)注。

阿塔拉在接受美國外科醫(yī)生學(xué)院的采訪時表示,，他正在利用芯片上的身體結(jié)構(gòu)來研究COVID-19的感染性和抗病毒藥物,，以及藥物的毒性水平。更重要的是,，專家表示,，細(xì)胞衍生的3D有機(jī)體技術(shù)比培養(yǎng)板中的細(xì)胞系或動物模型更有幫助。團(tuán)隊正在測試兩種不同的抗病毒藥物,，一種是針對肺部的,，另一種是針對腸道的，研究不同的藥劑如何影響這些器官,。

△集成組織器官打印機(jī)（ITOP）在WFIRM的生物打印組織構(gòu)建,，圖片由WFIRM提供

微型機(jī)器人在體內(nèi)打印出健康的細(xì)胞

來自中國清華大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種微型生物打印平臺，通過內(nèi)窺鏡進(jìn)入人體，在體內(nèi)進(jìn)行組織修復(fù),。為了測試這種新方法,，研究人員在胃模型中通過生物打印雙層組織支架成功修復(fù)了胃部傷口。他們用明膠-海藻酸鹽水凝膠與人胃上皮細(xì)胞和人胃平滑肌細(xì)胞作為生物墨水,，模擬胃的解剖結(jié)構(gòu),，10天的細(xì)胞培養(yǎng)顯示，打印的細(xì)胞仍然保持著較高的活力和穩(wěn)定的增殖,，這表明打印組織支架中的細(xì)胞具有良好的生物學(xué)功能,。該工作是生物打印和臨床科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新進(jìn)展。由于胃壁損傷是消化道常見的問題,，影響著世界上12%的人口,，根據(jù)發(fā)表在《Biofabrication》上的研究作者，新型的原位體內(nèi)生物打印平臺是治療這一問題的潛在有用方法,。

△人類胃部3D打印模型內(nèi)的機(jī)器人原型特寫,，圖片由清華大學(xué)提供

用于體內(nèi)3D打印的新型生物墨水

研究人員開發(fā)了一種特殊配方的生物墨水，以微創(chuàng)方式在活體患者體內(nèi)生物制造3D組織工程支架,。這項研究發(fā)表在2020年7月的《Biofabrication》雜志上,，由寺崎研究所、俄亥俄州立大學(xué)和賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員合作,。它專注于一種全新的生物材料配方,，可以在體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的那種溫度下進(jìn)行3D打印，并在體內(nèi)使用可見光進(jìn)行交聯(lián),，利用機(jī)器人3D打印構(gòu)建具有臨床相關(guān)尺寸和一致結(jié)構(gòu)的3D組織工程支架,。這項工作可以實現(xiàn)在手術(shù)室（OR）中直接將合適的細(xì)胞和材料送到缺損處。

△直接植入軟活組織的晶格結(jié)構(gòu),，圖片由俄亥俄州立大學(xué)提供

國際空間站上的生物打印,，俄羅斯宇航員在太空中3D打印軟骨

最具創(chuàng)新性和未來感的生物打印形式之一是在微重力下完成的。畢竟,，如果地球外殖民在未來十年內(nèi)隨時會開始,，生物打印是空間探索者生存的要素。使用由俄羅斯生物技術(shù)公司3D Bioprinting Solutions開發(fā)的定制設(shè)計的磁性3D生物打印機(jī)Organ.Aut,，在2018年發(fā)射到軌道上,，宇航員Oleg Kononenko在國際空間站（ISS）上對軟骨進(jìn)行了生物打印。利用磁場的拉力實現(xiàn)了細(xì)胞在微重力下的自組裝,，這種懸浮式生物打印的形式為太空再生醫(yī)學(xué)提供了巨大的潛力,。Kononenko在國際空間站俄羅斯段進(jìn)行了實驗,，2020年7月15日,，在地球上開發(fā)這一系統(tǒng)的研究人員公布了他們的工作成果。

△Oleg Kononenko使用了一種新型的 "無支架 "組織工程方法,，圖片由3D Bioprinting Solutions提供

mimiX Biotherapeutics公司推出首臺聲學(xué)3D生物打印機(jī)

瑞士生物技術(shù)初創(chuàng)公司mimiX Biotherapeutics宣布推出一種全新的生物制造技術(shù),，可以通過聲波快速而經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)多細(xì)胞功能組織構(gòu)建,。實驗室儀器依靠公司的專利技術(shù) "聲音誘導(dǎo)形態(tài)發(fā)生"（SIM）生物加工技術(shù)，這項技術(shù)已經(jīng)有近十年的歷史,，并已被成功證明可以編排血管網(wǎng)絡(luò),。在IOPscience雜志Biofabrication上發(fā)表的一篇論文中，研究人員開發(fā)了一個體外實驗?zāi)Ｐ妥鳛楦拍铗炞C,，以評估SIM創(chuàng)建血管結(jié)構(gòu)的可行性,。他們得出結(jié)論，即使初始密度較低,，細(xì)胞也能夠自組裝成功能性多尺度血管網(wǎng)絡(luò),，并可應(yīng)用于多個生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，包括藥物篩選的3D模型和生物打印自動化組織制造,，以實現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化,。

△mimiX Biotherapeutics公司的第一臺聲學(xué)生物打印機(jī)，圖片由mimiX Biotherapeutics提供

生物打印珊瑚可以幫助海洋生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展

由于生物打印的應(yīng)用超出了組織工程和再生醫(yī)學(xué)的范疇,，2020年4月,，來自劍橋大學(xué)和加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）的一組研究人員開發(fā)了仿生3D打印珊瑚，作為珊瑚啟發(fā)生物材料的新工具,，可以在藻類生物技術(shù),、珊瑚礁保護(hù)和珊瑚-藻類共生研究中找到用途。珊瑚啟發(fā)的光合生物材料結(jié)構(gòu)是利用快速的3D生物打印技術(shù)制造出來的,，能夠模仿珊瑚-藻類共生的功能和結(jié)構(gòu)特征,，為生物啟發(fā)材料及其在珊瑚保護(hù)中的應(yīng)用打開了一扇新的大門。當(dāng)時,，來自UCSD的跨學(xué)科海洋生物學(xué)家Daniel Wangpraseurt解釋說,，生物打印技術(shù)是他開發(fā)仿生3D打印珊瑚的一個關(guān)鍵點，是珊瑚啟發(fā)生物材料的新工具,，可用于藻類生物技術(shù),、珊瑚礁保護(hù)以及珊瑚-藻類共生研究，是該技術(shù)真正創(chuàng)新和迷人的應(yīng)用,。

△生物打印的珊瑚,，圖片由Daniel Wangpraseurt/UCSD提供

在實驗室中生物打印迷你人腎臟

澳大利亞默多克兒童研究所(MCRI)的研究人員和生物技術(shù)公司Organovo在實驗室中生物打印出微型人類腎臟,為腎衰竭的新療法和可能的實驗室種植移植鋪平了道路。研究顯示了干細(xì)胞的3D生物打印如何能夠產(chǎn)生移植所需的足夠大的腎臟組織片,，這也在一項研究中得到了驗證,，用于篩查一類已知會對人造成腎臟損害的藥物的藥物毒性。MCRI教授Melissa Little是世界上人類腎臟建模的領(lǐng)導(dǎo)者,，他于2015年首次開始種植腎臟器官,。但這種新的生物打印方法原來更快，更可靠，并允許整個過程擴(kuò)大規(guī)模,。2020年11月23日發(fā)表在《 Nature Materials》雜志上的一項研究中描述,，利用生物打印技術(shù)，她現(xiàn)在可以在10分鐘內(nèi)創(chuàng)建大約200個迷你腎臟,，而不影響質(zhì)量,。此項突破在南極熊3D打印網(wǎng)http://93item.com/thread-143947-1-1.html上有詳細(xì)報道。

△Melissa Little教授,，圖片提供：Aaron Francis

Organovo創(chuàng)始人回歸

2020年,，Organovo創(chuàng)始人Keith Murphy在卸任CEO三年后重返這家開創(chuàng)性的生物打印公司。在此期間,，Murphy繼續(xù)創(chuàng)建了另一家名為Viscient Biosciences的創(chuàng)新生物技術(shù)初創(chuàng)公司,，但截至2020年9月24日，這位企業(yè)家回來做執(zhí)行董事長,。自從Murphy離開后,，Organovo一直在努力尋找突破口，以推進(jìn)器官移植活體人類肝臟組織的3D打印開發(fā),，這個產(chǎn)品備受期待,。即使它早在2007年作為生物3D打印技術(shù)的黑馬出現(xiàn)，但管理層在2019年8月停止了所有的研發(fā)主導(dǎo)計劃,，并裁減了69%的整體員工,，約40個職位，削減成本,，因為它正在探索可用的 "戰(zhàn)略替代方案,，從技術(shù)平臺和知識產(chǎn)權(quán)中產(chǎn)生價值"。

這家公司錄得近130萬美元的重組費用,，此后不久,，在2020年11月，公司將人類原發(fā)性肝腎細(xì)胞分離業(yè)務(wù)Samsara Sciences以150萬美元的價格出售給弗吉尼亞州的LifeNet Health�,，F(xiàn)在,，Organovo重新恢復(fù)繼續(xù)前任領(lǐng)導(dǎo)人的工作，努力實現(xiàn)治療候選藥物的監(jiān)管批準(zhǔn),。


編譯自：3dprint