打破生物打印“紙上談兵“窘境,！科學(xué)家用"低溫生物打印"技術(shù)3D打印出活的人體肌腱

導(dǎo)讀：到目前為止,，很少有3D生物打印技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng),，而且該領(lǐng)域在這方面仍然處于相對(duì)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9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�,。ㄉ婕把豖和Y軸沉積細(xì)胞）不同，該團(tuán)隊(duì)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(shí),。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(gè)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(duì)3D生物打印多數(shù)只是停留在實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(shí),，如肌肉和神經(jīng)纖維，它們往往會(huì)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(gè)冷凍過程,，一旦解凍就會(huì)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(huì)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(duì)在他們的論文中解釋說,。"在這個(gè)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(píng)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(duì)最初使用了一臺(tái)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(gè)過程中,，他們可以精確控制材料的沉積,，同時(shí)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(zhǎng),，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(dòng),。

盡管這些結(jié)果參差不齊，科學(xué)家們將其歸因于實(shí)驗(yàn)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?yàn)樗�能夠�?chuàng)造出一個(gè)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(duì)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(zhǎng)為一個(gè)密集的微血管網(wǎng)絡(luò),。

因此，盡管該團(tuán)隊(duì)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(jiān)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(duì)病人的治療方法,，并促進(jìn)我們對(duì)人體的了解。

該團(tuán)隊(duì)在他們的論文中總結(jié)說："我們合理地預(yù)計(jì),，垂直三維低溫生物打印策略可能會(huì)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(gè)可能的用途是為生物研究,、藥物發(fā)現(xiàn)和個(gè)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(xiàng)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(gè)月,，英國(guó)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?cè)诮佑|時(shí)結(jié)合，并且不影響它們的整體活力,。

在更早些時(shí)候,，倫敦帝國(guó)學(xué)院的研究人員也曾試驗(yàn)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(gè)團(tuán)隊(duì)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,�,！�

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/ ... 08931?saml_referrer