中國(guó)科學(xué)家研發(fā)4D 打印工具,，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞組織切片檢測(cè)的批量處理

來(lái)源：DeepTech深科技

他叫  楊辰,，今年 33 歲,，博士畢業(yè)于羅格斯大學(xué)機(jī)械工程系，研究 4D 打印方向,，本碩均畢業(yè)于香港科技大學(xué),。和很多博士的畢業(yè)選擇不同的是，祖籍北京的他在博士畢業(yè)后,，選擇來(lái)到中國(guó)制造業(yè)“高地”——深圳市,，做了一名機(jī)械設(shè)計(jì)工程師。

△圖 | 楊辰（來(lái)源：楊辰）

在其博士畢業(yè)之前,，他的一篇論文以《用于高通量 3D 細(xì)胞培養(yǎng)和組織學(xué)的 4D 打印可變形管陣列》（4D-Printed Transformable TubeArray for High-Throughput 3D Cell Culture and Histology）為題,，發(fā)表在 Advanced Materials 上[1]。

△圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Materials）

研發(fā) TTA 的 4D 打印工具,，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞組織切片檢測(cè)的批量處理
該研究通過(guò) 4D 打印的一個(gè)名為 Transformable Tube Array（TTA）的工具,，來(lái)實(shí)現(xiàn)從三維細(xì)胞培養(yǎng)、到細(xì)胞組織切片檢測(cè)的批量處理。從而達(dá)到加速與三維細(xì)胞培養(yǎng)相關(guān)的藥物篩選,、新藥開(kāi)發(fā),、疾病模型、以及個(gè)性化藥物等方面的研究周期,。

楊辰表示,，比起傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)，三維細(xì)胞培養(yǎng)是將提取出的細(xì)胞在體外培養(yǎng)研究的一種方式,，后能更好地還原出細(xì)胞在生物體內(nèi)的狀態(tài),，因此該領(lǐng)域備受重視。

目前,，三維細(xì)胞的批量培養(yǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn),，常見(jiàn)的是通過(guò)使用 96 孔板。而在檢測(cè)時(shí),，細(xì)胞組織切片檢測(cè)（Histology）是比較常用的手段,，它指的是通過(guò)將細(xì)胞取材、固定,、脫水、包埋,、切片,、染色、再進(jìn)行顯微鏡觀察,，以從不同高度的切片中還原三維細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的組織與結(jié)構(gòu)特性,。

而從 96 孔板轉(zhuǎn)移出培養(yǎng)的三維細(xì)胞，一般需要人工逐個(gè)完成,，而且轉(zhuǎn)移細(xì)胞組織時(shí),，需要很精細(xì)的操作。轉(zhuǎn)移后的后續(xù)步驟里,，包埋,、切片等也同樣需要一個(gè)個(gè)進(jìn)行。

從轉(zhuǎn)移到檢測(cè)的過(guò)程非常耗時(shí)耗力,，比起批量的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù),，后續(xù)檢測(cè)的批量化處理技術(shù)明顯不足。

楊辰所在實(shí)驗(yàn)室的主要研究方向是 4D 打印,，也就是 3D 打印出可變形且性能可變的器件或結(jié)構(gòu),，在第四個(gè)維度（時(shí)間）上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)好的變化。所以他們?cè)O(shè)想,，利用 4D 打印可變形的 96 孔板嵌套器件,，并將其命名為 TTA。在后續(xù)轉(zhuǎn)移和切片時(shí)，讓 TTA 帶著所有三維細(xì)胞樣品一起進(jìn)行,，從而達(dá)到批量處理的效果,。

△（來(lái)源：Advanced Materials）

楊辰說(shuō)，該課題的立項(xiàng)是從一家生物公司的招標(biāo)項(xiàng)目開(kāi)始,，他們提出的需求就是解決三維細(xì)胞檢測(cè)過(guò)于耗時(shí)耗力的問(wèn)題,。

研究中，他們組通過(guò) 4D 打印可變形工具 TTA 來(lái)解決的方案得到了這家公司的認(rèn)可,，這時(shí)項(xiàng)目就算立項(xiàng)了,。有了項(xiàng)目之后，楊辰和導(dǎo)師一起分析關(guān)鍵難點(diǎn),。

在機(jī)械設(shè)計(jì)中,，96 孔板的尺寸是后續(xù)切片檢測(cè)時(shí)要求的樣品大小 3.6 倍，所以轉(zhuǎn)移時(shí)需要保證維持 96 孔板培養(yǎng)時(shí)的排布,，同時(shí)要能把整個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸縮小 70%,。之后，三維細(xì)胞組織就會(huì)和 TTA 一起切片處理,。

在材料上,，細(xì)胞培養(yǎng)則需要 TTA 具備生物相容性。另外,，TTA的變形也需要可控,，當(dāng)需要配合 96 孔板時(shí)，它需要維持在大尺寸,，當(dāng)需要切片時(shí),，它需要變小并維持在小尺寸。而這個(gè)可控性是機(jī)械設(shè)計(jì)和材料共同決定的,。

找到了難點(diǎn),，之后就是尋找解決難點(diǎn)的方向。楊辰博士期間的主要研究方向是 4D 打印形狀記憶聚合物,，這種形狀記憶聚合物的特點(diǎn)是可以在低溫時(shí)維持變形,，而高溫時(shí)回復(fù)打印形狀，而這恰恰十分符合可控性,。

材料大方向定了以后,，就得考慮如何設(shè)計(jì)材料以達(dá)到需要的屬性，而這些都是器件的應(yīng)用場(chǎng)景所決定的,，比如生物相容性,、觸發(fā)變形的溫度（為保證細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)的定型，高溫變形時(shí)必須保證細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)不會(huì)被損壞）,、材料強(qiáng)度（嵌套器件可操作性）,、以及斷裂伸長(zhǎng)率（3.6 倍整體尺寸變形時(shí)不發(fā)生斷裂）等方面,。

材料設(shè)計(jì)基本確定了，機(jī)械設(shè)計(jì)的要求也就慢慢清晰了,，論文中設(shè)計(jì)出的三維螺旋結(jié)構(gòu),，正是結(jié)合各種需求和限制所產(chǎn)出的結(jié)果。

到這里,，TTA 已經(jīng)具備雛形,，接下來(lái)就是測(cè)試用于細(xì)胞的培養(yǎng)和后續(xù)的切片。由于這里不是楊辰的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域,，所以他開(kāi)始和團(tuán)隊(duì)中的生物化學(xué)博士生,、以及病理學(xué)專(zhuān)家展開(kāi)合作實(shí)驗(yàn)。

這時(shí),，楊辰的職責(zé)就變成了解他們現(xiàn)有的流程,，并為 TTA 設(shè)計(jì)出能相配合的使用方案。期間當(dāng)然也少不了再對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì),，材料后處理及打印工藝上進(jìn)行改善優(yōu)化,。

跨領(lǐng)域合作項(xiàng)目，往往也意味著高難度,，對(duì)此他深有感觸,。

他說(shuō)：“其實(shí)，測(cè)試過(guò)程才是項(xiàng)目中耗時(shí)最長(zhǎng),，而且難度最大的階段,，因?yàn)槊總�(gè)人都要解決很多以前不曾面對(duì)過(guò)的問(wèn)題并在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上做出創(chuàng)新�,！�

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，如何對(duì)打印完的 TTA 進(jìn)行材料后處理以達(dá)到生物相容性并且完全不影響細(xì)胞的培養(yǎng),，是他和合作者都沒(méi)有面對(duì)過(guò)的問(wèn)題,。期間出現(xiàn)過(guò)后處理后 TTA 導(dǎo)致細(xì)胞大量死亡，少量死亡,，前幾天沒(méi)事然后細(xì)胞突然就死了,，也出現(xiàn)過(guò) TTA 導(dǎo)致細(xì)胞過(guò)量增長(zhǎng)的情況。

“我們也是研究實(shí)驗(yàn)了很久才找到合適的后處理方法,�,！睏畛奖硎尽�

從開(kāi)始合作實(shí)驗(yàn)以后,，他每天要在三個(gè)地方跑來(lái)跑去,。

得去生物化學(xué)博士生的實(shí)驗(yàn)室里，跟對(duì)方一起觀察 TTA 的使用情況以及細(xì)胞的反應(yīng),，根據(jù)觀察的情況討論解決方案,；接著,，又要去病理學(xué)專(zhuān)家那里，帶著TTA和培養(yǎng)的細(xì)胞,，研究在已經(jīng)相對(duì)成熟的細(xì)胞組織檢查流程中實(shí)現(xiàn)批量化處理,。

期間，楊辰和合作者需要相互理解各方的專(zhuān)業(yè),，也需要想盡辦法從各個(gè)角度類(lèi)解決碰到的問(wèn)題,。

（來(lái)源：Advanced Materials）

項(xiàng)目后期，由于疫情的原因,，學(xué)校封校了半年左右,。后來(lái)即使可以返校做實(shí)驗(yàn)了，工作時(shí)間,、效率以及流動(dòng)性也非常受限制,，讓合作難度提高了許多。楊辰回顧稱(chēng)：“當(dāng)時(shí)這個(gè)項(xiàng)目還有一些讓 TTA 測(cè)試結(jié)果更為完整也更有說(shuō)服力的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有做完,，也是有一些遺憾吧,。”

可加速藥物篩選,、新藥開(kāi)發(fā)的周期
在論文發(fā)表的同時(shí),，楊辰和團(tuán)隊(duì)也申請(qǐng)了專(zhuān)利，后續(xù)如果有合適的機(jī)會(huì),，可以把TTA做成產(chǎn)品,。

如前所述，該工作是為了加速與三維細(xì)胞培養(yǎng)相關(guān)的藥物篩選,、新藥開(kāi)發(fā),、疾病模型、以及個(gè)性化藥物等方面的研究周期,。而研究周期的加快,，對(duì)于各種疾病的攻克、以及面對(duì)大流行病時(shí)的快速應(yīng)對(duì)都有積極意義,。

楊辰是北京人,，生于 1988 年。本科就讀于香港科技大學(xué)機(jī)械工程系,，之后又讀了一年并獲得機(jī)械工程理學(xué)碩士學(xué)位,。去了美國(guó)留學(xué)后，便一直在羅格斯大學(xué)讀書(shū),。

他說(shuō)：“讀博士期間還是有點(diǎn)曲折的,，中間換過(guò)一個(gè)組。我在第一個(gè)組做的是一種新的利用離心力的零損耗涂覆工藝,，剛開(kāi)始還是挺有興趣的,，也做完了第一個(gè)項(xiàng)目并發(fā)表了論文,。但是規(guī)劃后續(xù)方向時(shí)，覺(jué)得再繼續(xù)深入做下去對(duì)我不太有吸引力了,。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)研和思考,，換到了做 4D 打印的組，然后就一直研究了下去并拿到了博士學(xué)位,�,！�

這幾年，4D 打印是個(gè)非常熱門(mén)的研究方向,，他還記得導(dǎo)師（Howon Lee）說(shuō)過(guò)這個(gè)方向熱度高,，很容易提高研究成果的影響力，同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)者也多,，做不好就容易被淘汰,。

所幸這幾年做下來(lái)沒(méi)有被淘汰，不過(guò)也確實(shí)經(jīng)歷過(guò)幾次剛有了想法并實(shí)驗(yàn)了一下,，其他課題組想法相似的論文就發(fā)表出來(lái)的情況,。

當(dāng)時(shí)加入 4D 打印課題組時(shí)，楊辰的導(dǎo)師是助理教授的第二年,，實(shí)驗(yàn)室也屬于初創(chuàng)階段,。剛開(kāi)始幾年，全組花了不少時(shí)間在建設(shè)和摸索上,，也承受著不小的壓力,。

后來(lái)，楊辰慢慢才認(rèn)識(shí)到,，4D 打印看似是機(jī)械范疇,，但它同樣牽扯到大量的材料和有機(jī)化學(xué)知識(shí)。經(jīng)過(guò)前面的摸爬滾打以后,，他終于也做出了一些成果,。

比如 2019 年發(fā)表在 Materials Horizons 的論文《4D 打印可重構(gòu),可部署和機(jī)械性能可調(diào)節(jié)的超材料》（4D printing reconfigurable, deployable and mechanically tunablemetamaterials）[2]，被評(píng)為Materials Horizons 2019 Outstanding Article,。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Materials Horizons）

博士畢業(yè)后，楊辰回國(guó)到了深圳,，獲得了深圳市海外高層次“B類(lèi)”人才的認(rèn)定并入職了深圳摩方新材科技有限公司,，擔(dān)任設(shè)備研發(fā)機(jī)械工程師。摩方主要是做面投影微立體光刻（Projection Micro Stereolithography, PμSL）的 3D 打印機(jī),、3D 打印材料,、以及終端產(chǎn)品的研發(fā)。公司擁有全球領(lǐng)先的超高打印精度,，高精密的加工公差控制能力,。

他說(shuō)：“PμSL 是我博士期間一直學(xué)習(xí)研究并使用的一種微納級(jí)精度 3D 打印技術(shù),，因此我對(duì)這個(gè)技術(shù)的發(fā)展前景還是非常看好的,，也想為這個(gè)技術(shù)的發(fā)展推廣做出貢獻(xiàn),。”

參考：
1,、Yang C, Luo J, Polunas M, et al. 4D‐Printed TransformableTube Array for High‐Throughput 3D Cell Culture and Histology[J]. Advanced Materials, 2020, 32(40): 2004285.
2,、Yang C, Boorugu M, Dopp A, et al.4D printing reconfigurable, deployable and mechanically tunablemetamaterials[J]. Materials Horizons, 2019, 6(6): 1244-1250.