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,，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)只是停留在實驗室階段的窘境,，市面上亟需有真正可以投入實際應(yīng)用的打印技術(shù)來證明生物打印絕不只是“紙上談兵“,。事實上，在那些處于實驗層面的技術(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,，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,。“

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