《Cell》綜述：生物3D打印，生物學(xué)家的好幫手

來源： EFL生物3D打印與生物制造

生物3D打印是一項新興的技術(shù),，通過人工構(gòu)建生物學(xué)組織,，能探索全新的組織結(jié)構(gòu)，徹底改變了生物學(xué)的基本認(rèn)知,。生物3D打印技術(shù)不僅應(yīng)用于組織修復(fù)和藥物篩選,，而且探索細(xì)胞形態(tài)及細(xì)胞相互作用中也有很大的應(yīng)用價值。賓夕法尼亞大學(xué)的Jason A. Burdick教授在Cell上發(fā)表了一篇名為“Bioprinting for the Biologist”的綜述,。本篇綜述主要從生物學(xué)家視角看生物打印,，概述了擠出生物打印的步驟，并討論了不同的生物3D打印技術(shù)以及其未來展望。

細(xì)胞生物學(xué)傳統(tǒng)上是通過在2D硬表面如細(xì)胞培養(yǎng)板或動物模型中的細(xì)胞來研究的,。而3D培養(yǎng)的細(xì)胞在柔軟的材料中培養(yǎng),，這種方式模仿了細(xì)胞在體內(nèi)的類集體性細(xì)胞行為。許多類型的生物或合成分子材料的水凝膠被開發(fā)出來并應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng),。在生物制造領(lǐng)域,，生物3D打印被定義為：使用計算機輔助傳輸過程，用層積的方式制造出設(shè)定的圖案并組裝,，以生產(chǎn)生物工程結(jié)構(gòu)的技術(shù),。

生物打印技術(shù)基本分為三類。

1. 擠出式打印技術(shù)：從打印機噴嘴用壓力驅(qū)動的方式擠出用于打印的用戶自定義的細(xì)絲,。（圖1）



圖1 擠出式打印技術(shù)

2. 投影式光固化生物3D打�,。簩⒐饩�集中到2D平面中以局部凝固水凝膠，然后通過機器轉(zhuǎn)換層面,，形成連續(xù)的層層交聯(lián)的3D實體,。光刻生物3D打印因為其精確性，能夠重現(xiàn)復(fù)雜的微結(jié)構(gòu),。如在2016年發(fā)表的研究中,，使用投影式光固化技術(shù)在仿生六邊形顯微結(jié)構(gòu)中對誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）-肝細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和脂肪干細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng),，并證明其培養(yǎng)模型可以增強肝細(xì)胞功能,，增加肝臟特異性基因表達(dá)、白蛋白分泌和藥物代謝酶活性,。（圖2A）



圖2 光控打印技術(shù)及微球打印技術(shù)

3. 微球打印技術(shù)：

球狀生物打印技術(shù)優(yōu)勢在于其能提供高細(xì)胞密度結(jié)構(gòu)的印刷,。當(dāng)單個細(xì)胞分散在凝膠中時，很多疾病狀態(tài)都難以忠實地表現(xiàn)出來,。預(yù)制的球體可以融合到組織鏈中,，然后自行將組織鏈擠壓呈更大的3D結(jié)構(gòu)。球狀生物打印技術(shù)在開發(fā)器官和組織模型方面具有重大應(yīng)用前景,。（圖2B）

作者對以上三種打印技術(shù)進(jìn)行了比較,，并列出了其優(yōu)缺點。（表1）


表1 三種打印技術(shù)優(yōu)缺點比較


接下來,，作者描述了生物打印的步驟,。其被概括為三個步驟。（圖3）

1. 計劃,。設(shè)計整體的打印模式和各個生物打印組件,。其中需要注意兩個關(guān)鍵步驟：打印設(shè)計與生物墨水選擇。

打印設(shè)計通常通過計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件創(chuàng)建,。創(chuàng)建CAD模型后,，可以將其上傳到打印機中以創(chuàng)建G代碼,。G 代碼定義了生物墨水的打印路徑，并可以指定如果使用多個生物墨水,，在整個打印過程中使用哪些生物墨水,。

生物墨水的選擇主要基于墨水的可打印性以及生物墨水對細(xì)胞行為的影響。在表2中列出了生物墨水選擇的一般注意事項,。

表2 生物墨水選擇的一般注意事項



2. 打印,。使用合適的生物打印機打印出設(shè)計的結(jié)構(gòu)。

3. 加工處理,。處理打印結(jié)構(gòu),。

生物打印的最后一步是加工處理生物打印出的結(jié)構(gòu)。這些主要考慮其整個實驗應(yīng)用場景,。包括整個實驗過程的長度（這決定了你使用的生物墨水的穩(wěn)定性和打印出的結(jié)構(gòu)）,，以及里面需要承載什么細(xì)胞。用戶可能需要根據(jù)應(yīng)用場景規(guī)劃打印結(jié)構(gòu)的大小和打印參數(shù),。



圖3 生物打印的步驟

生物3D打印在生物學(xué)中的應(yīng)用：

1. 組織發(fā)育和修復(fù)生物打印模型

在3D打印的水凝膠中能夠提供不同生長因子的生化梯度,。在血管生成發(fā)芽實驗中，細(xì)胞可降解水凝膠內(nèi)的3D打印微通道,，根據(jù)不同的生長因子濃度生長。（圖4A）

2. 生物物理形態(tài)的發(fā)生

在組織生長過程中,，因為內(nèi)部的壓力和張力產(chǎn)生,，會導(dǎo)致機械力的作用。3D水凝膠模型可以重塑這種細(xì)胞外基質(zhì)模型,。通過將纖維細(xì)胞的膠原蛋白生物墨水?dāng)D出到支架上,，然后測量由于牽引力而發(fā)生的膠原蛋白長度變化。（圖4A）

3. 癌癥疾病模型

在一項研究中,，利用GelMA生物墨水的擠出式生物打印,，開發(fā)出了將膠質(zhì)母細(xì)胞和巨噬細(xì)胞分隔培養(yǎng)的微型大腦模型，能夠更好的模擬腫瘤和其周圍微環(huán)境的相互作用,，此模型已證明與臨床生成的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)相關(guān),。（圖4B）

4. 管狀疾病模型

腎小管和血管之間的相互聯(lián)系與再吸收關(guān)系紛繁復(fù)雜。在一項研究中,，通過纖維蛋白基質(zhì)中打印兩個平行的微通道,，其中一個鋪近端腎小管內(nèi)皮細(xì)胞，另外一個鋪血管內(nèi)皮細(xì)胞以形成單層上皮和血管,。通過閉環(huán)灌注系統(tǒng)控制通過兩個通道的流量,，可以研究從上皮通道到血管通道的葡萄糖的再吸收。（圖4B）



圖4 生物打印在生物學(xué)上的應(yīng)用

最后,，作者概述了一些前瞻性的研究方向：

1. 研究旁分泌等遠(yuǎn)距離生化信號

用傳統(tǒng)方式理解體內(nèi)的發(fā)育組織的形態(tài)發(fā)生發(fā)展是復(fù)雜的,。但是生物3D打印可以在此發(fā)揮關(guān)鍵作用,。生物過程中，細(xì)胞會通過旁分泌方式分泌細(xì)胞因子作用到另外的細(xì)胞上,。生物打印可以將細(xì)胞因子的“發(fā)送者”細(xì)胞和“接收者”細(xì)胞進(jìn)行陣列排列,，定量控制組織大小和組成以及細(xì)胞因子的擴散距離以及擴散率。有一研究表示血管細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞之間的相互作用可以通過細(xì)胞參數(shù)的變化實時成像繪制出包括增殖,、遷移,、分泌以及蛋白質(zhì)及基因表達(dá)等數(shù)據(jù)。（圖5A）

2. 在發(fā)育的分化點建立生物結(jié)構(gòu)

細(xì)胞可能因為機械牽引等因素產(chǎn)生不同的極化,，從而產(chǎn)生極性分區(qū),。如向上與向下的方向性細(xì)胞，以及平面極性細(xì)胞,。有一研究通過生物打印技術(shù)探索模式張力對細(xì)胞集體行為（如神經(jīng)嵴形成）的影響,。3D生物打印可以在水凝膠中改變細(xì)胞類型、細(xì)胞間基質(zhì)（ECM）類型,、ECM力學(xué)等參數(shù),，研究集體細(xì)胞行為。（圖5B）

3. 形態(tài)變化

生物打印方法可用于創(chuàng)建具有細(xì)胞密度梯度的組織,，以確定細(xì)胞密度本身是否足以觸發(fā)出芽表型的形成,。在研究中，可以通過與細(xì)胞密度相鄰的微環(huán)境條件進(jìn)行模式化并調(diào)整,，可用于篩選微環(huán)境下的細(xì)胞遷移,。（圖5C）



圖5 生物打印在生物學(xué)上新興的應(yīng)用場景

綜上，該綜述概述了生物打印作為一個新興的領(lǐng)域,，如何使用這一技術(shù)的步驟及利用該技術(shù)解決生物問題,。生物體內(nèi)涉及復(fù)雜的細(xì)胞、生化和生物物理動力學(xué),，這些動力學(xué)塑造了生物體及其組成器官的形狀和組成,，而人體內(nèi)這些復(fù)雜性可以通過各種方式經(jīng)由生物打印的方式進(jìn)行重現(xiàn)，并與迅速壯大發(fā)展的有機工程領(lǐng)域進(jìn)行合作,。因此,，生物3D打印的未來在解決生物學(xué)問題中具有巨大的潛力。


文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.002